2.4 Устройства и элементная база интегральной оптики
Элементной базой интегральной оптики служат интегрально-оптические элементы, представляющие собой миниатюризированные оптические и оптоэлектронные устройства, предназначенные для передачи и обработки световых сигналов.
Различают три группы интегрально-оптических элементов. Пассивные элементы управления излучением, элементы преобразования электрической энергии в световую и обратно. К пассивным интегрально-оптическим элементам относятся, прежде всего, устройства ввода и вывода излучения. Они предназначены для согласования световых потоков входящих и выходящих из волновода. На рисунке 1 представлены схемы интегрально-оптических элементов связи.
Рисунок 2.19. - Схема интегрально-оптического элемента связи на основе дифракционных решеток (а) и с использованием рупорных переходов (б):
1 — подложка; 2 — волновод; 3— элемент связи; 4 — световой поток
Возможны и другие формы интегрально-оптических элементов ввода-вывода, например, волноводы с изменяемой геометрией. К этой же группе относятся интегрально-оптические разветвители излучения с разным числом каналов. Интегрально-оптические линзы фокусируют излучение волновода в заданном месте. Различают геодезические линзы, линзы Люнеберга и линзы Френеля (рис. 2.20).
Геодезическая линза конструктивно выполняется в виде углубления на поверхности волновода, такого, что происходит фокусировка излучения.
Линза Люнеберга представляет собой область определенной конфигурации с отличным от волновода показателем преломления:
n2>n1,
где n1 — показатель преломления волновода, n2 — показатель преломления воздуха.
Линза Френеля является фрагментом известной в оптике зонной пластинки Френеля и представляет собой дифракционную решетку с переменным шагом. Линза Френеля может быть голографическим элементом связи.
К этой группе интегрально-оптических элементов можно отнести интегрально-оптические фильтры, представляющие собой дифракционные решетки, а также кольцевые интерферометры и резонаторы (например, типа Фабри — Перо). Эти интегрально-оптические элементы способны изменять пространственные характеристики световых сигналов, оставляя неизменным их энергию.
Рисунок 2.20. - Интегрально-оптические линзы: а — геодезическая; б — линза Люнеберга; в — линза Френеля: 1 — подложка; 2 — пленарный волновод; 3 — линза; 4 — световой поток
Вторая группа интегрально-оптических элементов позволяет управлять излучением путем изменения амплитуды, фазы или поляризации. В этих элементах используются явления, связанные с изменением показателя преломления световода за счет электро-, магнито- или акустооптических эффектов. Так интегрально-оптические модуляторы амплитуды светового потока строятся по схеме интерферометра Маха — Цандера путем разветвления волновода на основе электрооптических материалов (рис. 2.21, а). В каналах при подаче управляющих сигналов изменяются фазы световых волн, и при их новой интеграции на основе явления интерференции изменяется амплитуда световой волны.
В интегрально-оптических переключателях осуществляется управляемое перераспределение оптической энергии между волноводами (рис. 2.21, б). Это происходит благодаря изменению показателя преломления в области связи между волноводами. Эти изменения происходят под действием управляющего напряжения.
Работа интегральных акустооптических модуляторов основана на изменении направления распространения световых пучков в планарном волноводе в результате явления дифракции света на фазовых неоднородностях. Фазовые неоднородности возникают в узлах и пучностях поверхностной акустической волны, возбуждаемой встречно-штыревыми преобразователями (рис. 2.21, в). Разработаны интегрально-оптические преобразователи частот, действие которых основано на изменении характеристик нелинейно-оптических материалов волноводов с последующим смешением световых частот.
Третья группа интегрально-оптических элементов предназначена для генерации, усиления и детектирования оптических сигналов. Генерация оптического излучения производится в интегрально-оптическом волноводе в результате рекомбинации электронно-дырочных пар в области р—n-перехода полупроводникового излучателя (фотодиода, лазера).
Рисунок 2.21 - Интегрально-оптические элементы для модуляции по амплитуде (а); переключения световых потоков (б); дефлектор (в):
1 — подложка; 2— канальные и пленарный волноводы; 3— области связи пучков; 4 — встречно-штыревой преобразователь; 5 — электроды управления; 6 — световой пучок; 7 — поверхностно акустическая волна
В качестве оптического усилителя могут использоваться слоистые структуры с активной средой. В этой среде создаются условия инверсной населенности энергетических уровней с последующим усилением проходящего излучения.
Детектирование излучения осуществляется с помощью фотоприемника, в качестве которого используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Фотоприемники обычно сопрягаются с оптическим волноводом. Широкое распространение получили кремниевые диоды с р-n-переходом. В качестве подложки используется кремниевая пластина с нанесенным стеклянным оптическим волноводом. Свет из волновода попадает на поверхность р-n-перехода. Детектор на основе фотодиода реализуется с помощью процессов эпитаксии и ионной имплантации. Эти детекторы используются в области видимого оптического излучения. В ИК-области спектра могут быть использованы интегрально-оптические AlGaAs/GaAs детекторы.
К основным видам устройств интегральной и волоконной оптики относятся такие устройства, как, например, волоконная бреговская решетка, сварные биконические разветвители, устройства мультиплексирования-демультиплексирования.
Волоконная брэгговская решетка - это, по сути, оптический интерферометр, встроенный в волокно. Волокно, легированное некоторыми веществами (обычно германием), может изменять свой показатель преломления под воздействием ультрафиолетового света. Если облучить такое волокно ультрафиолетовым излучением с определенной пространственной периодической структурой, то волокно превращается в своего рода дифракционную решетку. Другими словами, это волокно будет практически полностью отражать свет определенного, наперед заданного диапазона длин волн, и пропускать свет всех остальных длин волн (рис.2.25).
Рисунок 2.25. - Волоконная брэгговская решетка выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны
Такие решетки могут использоваться как для компенсации хроматической дисперсии в волоконной линии связи или для коррекции чирпированного сигнала лазерного источника так и в качестве оптического фильтра в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования, как компенсатор хроматической дисперсии, или в комбинации с циркуляторами в мультиплексорах ввода/вывода каналов и транзисторах.
Рисунок 2.26 - Входной сигнал распределяется между двумя выходами
Простейший биоконический разветвитель FBT (Fused В iconic Tapered) представляет собой пару одномодовых оптических волокон, на определенном участке сваренных друг с другом по длине. Основная мода волокна, которая распространяется по сердцевине одного из оптических волокон, при прохождении области сварки преобразуется в моды оболочки. Когда волокна снова разделяются, моды оболочки снова преобразуются в моды волокна, распространяющиеся по сердцевине каждого из выходных волокон. В результате получается разветвитель, практически не вносящий потерь.
Если два таких разветвителя расположены последовательно, и два рукава имеют разные оптические пути между местами сварки, то такая комбинация действует подобно интерферометру Маха-Цендера (рис. 2.26). Мощность входного сигнала распределяется между выходными волноводами в зависимости от длины волны с определенной периодичностью. Если составной входной сигнал содержит оптические каналы двух различных длин волн, то при определенном подборе параметров эти каналы на выходе окажутся в разных выходных волокнах. Второе входное волокно не используется.
Массивы таких устройств, отдельные секции которых иногда заменены брэгговскими решетками, используются для выделения каналов определенной частоты из многоканальных систем WDM и DWDM или для добавления каналов в каком-либо узле оптической сети. Поскольку они являются полностью пассивными устройствами и имеют низкие потери, допустимо применение достаточно больших наборов таких устройств.
Интегральные оптические устройства мультиплексирования и демультиплексирования - это оптический эквивалент интегральных схем в электронике. Оптические волноводы в несколько слоев помещаются на подложку из кремния или ниобата лития. В таком небольшом блоке содержится множество оптических компонентов, взаимосвязанных друг с другом. При использовании современного полностью автоматизированного оборудования возможно массовое производство таких блоков.
Интегральная оптика успешно применяется для создания решеток на основе массива планарных волноводов (более 100) различной длины между двумя планарными линзами смесителями AWG (Arrayed Waveguide Gratings), (рис. 2.27).
Рисунок 2.27 - Решетка на основе массива волноводов AWG – принцип работы
Входной сигнал, который содержит излучение разных длин волн, попадает во входной разветвитель. Там он расщепляется на N оптических лучей, каждый из которых попадает в отдельный волноводный канал. Все N волноводных каналов, образующих волноводную матрицу, имеют разную длину и вносят в сигнал разные фазовые сдвиги, зависящие от длины волны. После этого световые пучки из отдельных волноводных каналов вновь объединяются в выходном разветвителе и интерферируют таким образом, что излучение разных длин волн попадает в разные выходные волноводы.
Решетки на основе массива волноводов AWG используются для того, чтобы перераспределять сигналы различных длин волн (каналы) между двумя наборами волокон (рис. 2.27) или выделить (демультиплексировать) отдельные каналы составного сигнала в отдельные волокна. Эта технология сейчас становится основной для производителей мультиплексоров и демультиплексоров систем DWDM. Благодаря легко масштабируемой структуре, она может широко применяться в системах с сотнями каналов.
Решетки AWG еще также называют “драконовыми маршрутизаторами” (Dragon Routers), фазовыми матрицами или фазарами.
В основе принципа их роботы лежит уникальное свойство оптического волновода - тот факт, что в волноводе каждая длина волны распространяется по своей собственной траектории. Поэтому путем подбора соответствующих условий можно развести значительное число длин волн. На рисунке 2.28 приведена схема фазосогласованной волноводной решетки или фазара (PHASed ARrayed waveguide grating). Сигнал с одного из входных волокон попадает на фокусирующую решетку, которая разводит сигнал по канальным волноводам. Каждый волновод отделен от другого на одну и ту же постоянную длину DL, что дает одинаковый фазовый сдвиг для всей системы. Наличие фазового сдвига приводит к смещению хода луча и определяет длину волны, на которой будет распространяться данный конкретный пучок. Благодаря этому фазовому сдвигу, каждая световая волна попадает в "свой" волновод. А постоянство фазового сдвига для всей системы приводит к тому, что соответствующие каналы (а как уже было отмечено, каждому каналу соответствует своя длина волны) разнесены на одинаковую длину волны. Это дает массу преимуществ, например, по номеру канала можно, зная начальную длину волны и постоянную изменения фазового набега (который и определяет длину волны), определить длину волны любого конкретного канала. Пропускная способность подобной системы определяется числом каналов. Решеточная маска работает здесь как спектральный элемент и позволяет "вырезать" конкретную длину волны.
Рисунок 2.28 - Схема фазосогласованной волноводной решетки или фазара
Интегральная оптика - относительно новая технология и для того, чтобы полностью использовать ее потенциал, требуются дальнейшие научные исследования и конструкторские разработки. В настоящее время интегральная оптика используется при производстве оптических разветвителей, коммутаторов, модуляторов, эрбиевых и легированных различными редкоземельными элементами волноводных усилителей, брэгговских решеток и других компонентов систем DWDM.
Следует рассмотреть основные виды оптических волокон и канальных (планарных) волноводов, которые входят в состав оптоволоконных устройств и интегральных схем.