8. Создание и исследование Многоканального микролинзового интегрально-оптического ответвителя излучения

В настоящее время ведутся исследования по внедрению оптических соединений для об­мена информацией внутри компьютерных систем между блоками, платами и внутри плат.

Идея применения оптических каналов свя­зи в микропроцессорных системах впервые была предложена в 1984 г.

С тех пор в различных лаборатория и университетах было выполнено большое число научных исследований по созданию элементов для оптической связи на малых расстояниях, а также изготовлены экспери­ментальные оптические шины, работаю­щие на разных принципах (оптические пуч­ки в свободном пространстве, волоконные шлейфы, системы волноводов на платах и др.).

Речь идет о межсоедине­ниях внутри компьютерных систем, между блоками и на печатных платах, т. е. о заме­не электрических шин оптическими. Основные преимущества оптических техно­логий связи для высокоскоростной переда­чи информации в супер-ЭВМ и микропро­цессорных системах заключаются в существенном уменьшение задержек (оп­тические сигналы распространяются со скоростью света), в увеличении ширины полосы передаваемых сигналов до 100 ТГц, в отсутствии взаимодействия фотонов между собой, что позволяет минимизировать взаимные наводки соседних линий и внешние воздействия.

Технология оптических соединений очень значительно превосходит технологию элект­рических соединений по производительнос­ти и плотности расположения каналов. Важнейшим элементом системы оптичес­ких межсоединений является собственно организация передачи светового сигнала от источников света к приемникам. Волноводные структуры служат для ка­нализации и передачи световых потоков между элементами различных оптоэлектронных и интегрально-оптических устройств. Волноводы могут быть одномодовыми и многомодовыми. У одномодовых меньше поперечное сечение, поэтому они позво­ляют организовать межсоединение высо­кой плотности, но в этом случае требова­ния к механике и юстировке между источ­никами света и волноводами, а также между волноводами и приемниками зна­чительно возрастают. Кроме того, одномодовые волноводы могут представлять практический интерес только для переда­чи когерентного излучения. А это ограни­чивает число подходящих передатчиков. Многомодовые волноводы можно исполь­зовать как с когерентными, так и с неко­герентными оптическими передатчиками.

В последние годы разработаны и внедрены в производство лазеры с вертикальным резонатором и выводом излучения перпендикулярно по­верхности полупроводниковой структуры. Их основное преимущество перед торце­выми лазерами состоит в том, что их очень удобно делать в виде линеек или матриц, поэтому в настоящее время они применяются в быстродействующих сис­темах связи с параллельными каналами на коротких расстояниях. Лазеры с вертикальным резонатором можно крепить на поверхности волновода, при этом его излучение должно поворачиваться на 90° для ввода в волновод [102].

На основе микролинз разработан многоканальный интегрально-оптический ответвитель, выводящий излучение через поверхность подложки, что позволяет располагать приемники или источники сигналов непосредственно на поверхности подложки. Многоканальный интегрально-оптический ответвитель, изготовленный в стеклянной подложке электростимулированной миграцией ионов серебра из расплава солей, может быть использован и как делитель излучения [103].

У интегрально-оптических ответвителей или делителей вывод излучения осуществляется непосредственно через торцы волноводов, или через поверхность подложки с помощью призм и дифракционных решеток [104, 105]. Вывод через торец волновода осуществляется путем крепления фотоприемников или световодов непосредственно на торце подложки, что не всегда удобно и надежно. Применение призм или дифракционных решеток для вывода излучения из интегрально-оптических волноводов требует дополнительных затрат, связанных с технологией изготовлением самих призм, а также использованием сложных методов маскирования и травления, при изготовлении решеточных элементов связи.

В работе [106] предложено интегрально-оптическое устройство ввода-вывода излучения, представляющее собой созданную на конце канального волновода область с повышенным показателем преломления, имеющую полусферическую форму, у границ которой, непосредственно на поверхности подложки могут быть расположены источник излучения и (или) фотоприемник. Разработанное устройство ввода-вывода излучения формируется одновременно с интегрально-оптической схемой и позволяет располагать источник излучения и (или) фотоприемник непосредственно на поверхности оптической подложки. Ход лучей в интегрально-оптическом устройстве ввода-вывода излучения представлен на рис. 89.

К ак видно из рис. 89 часть оптического излучения, распространяющегося в волноводе, испытывая полное внутреннее отражение на границе закругления, выходит в воздух на поверхности стеклянной пластинки.

Рис. 89. Ход лучей в интегрально-оптическом устройстве ввода-вывода излучения

1,2 – лучи, вышедшие в воздух на поверхности стеклянной пластинки, 3 – луч, распространяющийся вдоль поверхности подложки

Другая часть излучения, распространяющегося в волноводе, и не испытывающая полного внутреннего отражения на закруглении, теряется, распространяясь вдоль поверхности подложки. Чем больше разница в показателях преломления подложки и закругленной части волновода, тем большая часть излучения будет вводиться в волновод или выводиться из волновода.

На основе интегрально-оптического устройства ввода-вывода излучения был создан многоканальный микролинзовый интегрально-оптический ответвитель излучения, выполняющий роль, как аттенюатора, так и линейки оптических излучателей, имеющих заданное пространственное распределение излучения, отличающийся простотой изготовления [107].

Для осуществления ответвления излучения и вывода его через поверхность подложки на пути распространения излучения, выходящего из закругленного торца канального волновода вдоль его оптической оси расположен ряд интегрально-оптических микролинз (рис. 90). Такое расположение интегрально-оптических микролинз позволяет осуществлять контролируемое ответвление оптического излучения и вывод его через поверхность подложки.

Рис. 90. Конструкция и распространение света в многоканальном микролинзовом интегрально-оптическом ответвителе излучения

Многоканальный микролинзовый интегрально-оптический ответвитель излучения содержит канальный волновод 1, сформированный в подложке 2 и имеющий на торце область 3 закругленной формы, интегрально-оптические микролинзы 4, имеющие полусферическую форму, и расположенные вдоль оптической оси канального волновода.

Если на пути вышедшего из канального волновода 1 излучения поместить интегральные микролинзы 4, то часть этого излучения выйдет из микролинз 4 на поверхность подложки 2.

Такой интегрально-оптический ответвитель с одной стороны будет выполнять роль делителя, поскольку излучение, выходящее из каждой последующей линзы 4 будет меньше предыдущего, а с другой стороны такое устройство можно использовать для ответвления оптического сигнала одновременно на несколько приемников, расположенных непосредственно на поверхности подложки 2.

Интегрально-оптический ответвитель был изготовлен в стекле от фотопластин при помощи электростимулированной миграции ионов серебра из расплава солей AgNO₃ и NaNO₃ взятых в соотношении 1:10 моль. Температура расплава была 380°С, стимулирующее напряжение – 40 В., время процесса – 15 мин.

На рис. 91 представлено изображение интегрально-оптического ответвителя излучения на основе двух микролинз.

Рис. 91. Изображение интегрально-оптического ответвителя излучения на основе двух микролинз

Поскольку волновод и микролинзы изготавливались одновременно, то диаметр микролинз равен диаметру волновода, кроме того, и волновод и микролинзы имели ступенчатый профиль изменения показателя преломления, что характерно для интегрально-оптических элементов, получаемых при помощи электростимулированной миграции ионов из расплавов солей.

Исследование ответвителя проводилось на стенде, блок-схема которого представлена на рис. 92.

Рис. 92. Блок-схема измерительного стенда

Излучение 1 гелий-неонового лазера вводилось в торец многомодового канального волновода интегрально-оптического ответвителя 2. Измерительное оптическое волокно 3 входным торцом располагалось у поверхности подложки ответвителя. Выходной торец измерительного волокна был сочленен с фотоприемником 4. Для измерения фототока использовался цифровой вольтметр 6, работавший в режиме регистрации тока. Трехкоординатный столик 5, на котором было закреплено измерительное оптическое волокно, позволял приводить волокно в непосредственный контакт с поверхностью исследуемого образца и перемещать волокно относительно ответвителя. Таким образом, перемещая измерительное волокно вдоль оси x, было получено распределение интенсивности оптического излучения, полученного в результате деления.

Распределение интенсивности оптического излучения на выходе ответвителя представлено на рис. 93.

Рис. 93. Распределение интенсивности оптического излучения на выходе ответвителя

Как видно из данного рисунка, деление оптического излучения осуществляется довольно равномерно. Уменьшение интенсивности от линзы к линзе составляет примерно 5 %. В тоже время интенсивность излучения, выходящего из закругленной части волновода и каждой из линз составляет, по результатам измерения те же 5 % от величины интенсивности вводимого излучения.

Наряду с микролинзами в многоканальном интегрально-оптическом ответвителе излучения можно использовать канальные волноводы, имеющие на конце закругления, как это показано на рис. 94 [108].

Рис. 94. Интегрально-оптический делитель излучения с чередующимися канальными волноводами и микролинзами

Интегрально-оптический делитель излучения содержит канальный волновод 1, сформированный в подложке 2, и имеющий на торце область 3 закругленной формы, отрезки интегрально-оптических волноводов 4 с закругленными торцами 3, чередующиеся с интегрально-оптическими микролинзами 5.

Отрезки интегрально-оптических волноводов 4 с закругленными торцами 3, чередующиеся с интегрально-оптическими микролинзами 5, расположены вдоль оптической оси канального волновода 1.

Если на пути вышедшего из канального волновода 1 излучения поместить отрезки интегрально-оптических волноводов 4 с закругленными торцами 3, чередующиеся с интегрально-оптическими микролинзами 5, то часть этого излучения выйдет из закругленных торцов отрезков канальных волноводов 4 и микролинз 5 на поверхность подложки 2, так как это представлено на рис. 88.

Применение канальных волноводов в этом случае позволяет подвести оптическое излучение к любой точке поверхности подложки и вывести его на поверхность подложки. Таким образом, представленный многоканальный микролинзовый интегрально-оптический ответвитель излучения позволяет не только ответвлять часть вводимого излучения, но и выводить его через поверхность подложки, на которой он сформирован, для обеспечения удобного и надежного крепление приемников излучения, создавать матричную (или иную) структуру излучающих зон через поверхность оптической подложки.