10.2.1.5. Интегральные активно-волноводные коммутаторы

Разработка интегральных актжно-волноводных коммутаторов/переключателей - АВК (AWS -Active-Waveguide Switch [303]) - явилась логическим следствием развития идей создания опто-электронных коммутаторов на основе полупроводниковых ОУ. Результатом стало интегрирова­ние в единую оптоэлектронную интегральную схему (ОЭИС) полупроводниковых ОУ и оптиче­ских волноводных устройств, связывающих отдельные элементы системы в единый узел коммута­тора, соответствующий выбранной для него топологической схеме.

ОЭИС представляет собой многослойную монолитную ИС, в структуре которой сформи­рованы: оптический волновод, ОУ, лазер, оптический модулятор (ОМ), детектор, приемник и пе­редатчик. Основой ОЭИС является активно-волноводная гетероструктура с выделенным "вол-новодным" слоем, имеющим с точки зрения оптики ступенчатый профиль показателя преломле­ния (SISCH - Step-Index Separate-Confinement Heterostructure), а с точки зрения структуры зонных энергетических уровней - квантовые потенциальные ямы* - КПЯ (QW - Quantum Well), которые могут служить ловушками для носителей заряда (см. рис. 10-15) [303]. Волноводный слой получен эпитаксиальным выращиванием слоя InGaAsP между двумя слоями InP (р-типа сверху и я-типа снизу, формирующими р-п переход). Меньшая ширина запрещенной зоны в таком слое вызывает приток в него дырок и электронов, "оседающих" в КПЯ. В результате создается избыток носите­лей, которые могут рекомбинироватъ под действием оптического сигнала, распространяющегося по волноводу, создавая условия для оптического усиления сигнала в полосе примерно 60 нм с центральной частотой 1550 нм. Такая структура называется активно-волноводной, позволяющей осуществить ряд функций по обработке сигнала путем изменения ее конфигурации и условий функционирования.

При наличии на таком р-п переходе обратного смещения тока через переход нет. КПЯ ад­сорбируют (поглощают) фотоны, и устройство работает как оптический аттенюатор. При уме­ренном токе через переход этот волновод работает как оптический проводник без потерь. При больших токах через переход волновод становится оптическим усилителем с коэффициентом усиления порядка 18 дБ/мм на длине волны 1550 нм. Используя внешнее управление током через переход (через контакт наверху "гребня" гетероструктуры), можно модулировать световой поток в волноводе сигналом управления. С другой стороны, используя тот же контакт, можно детекти­ровать фототок, генерируемый в волноводе. И наконец, путем формирования отражающих гра­ней на краях этого гребня, гетероструктура становится лазером, а значит, и источником сигнала.

Изменение направления оптического сигнала в волноводе на перпендикулярное, требуе­мое для формирования оптической схемы коммутатора, можно получить за счет использования явления полного внутреннего отражения - ПВО сигнала от граней, вытравленных в гетерострук-туре в месте стыка волноводов. Угол ПВО в 90° можно получить, учитывая большой коэффициент преломления слоя InGaAsP (~3,5).

Одна из наиболее удачных для оптических коммутаторов схем матричного коммутатора, используемого в схеме БЭ размера 2x2 такого АВК на основе активно-волноводной структуры приведена на рис. 10-16 [303].

Схема имеет четыре порта входа/выхода А, В, С, D, связанных между собой сетью оптиче­ских ортогонально состыкованных отрезков волноводов с зеркальными гранями ПВО, вытравлен­ных в местах стыка. Входные и выходные (вертикальные на рисунке) отрезки волноводов упира­ются одним из своих концов в отражательные трехгранные призмы (грани которых также вы­травлены в указанной структуре), формируя вместе с двумя "плечами" (горизонтальными отрез­ками волноводов) Т-образные расщепители оптического луча. Функции коммутирующих элемен­тов играют электроабсорбционные ключи, сформированные внутри гребня гетероструктуры. Схе­ма показана в положении, когда два левых ключа включены (свет проходит со входа А на выходы С и D), а два правых ключа выключены.

Объединяя четыре таких БЭ, можно создать образцы АВК размера 4x4. Согласно [303], такие АВК формируются в виде ОЭИС размером 2x3 мм с 5-мк оптическими волноводами и со­держат 16 коммутирующих ключей. Для обеспечения одинаковых коэффициентов усиления и от­ношений сигнал/шум коммутатор имеет одинаковую длину волноводов между всеми возможными портами входа/выхода. При ширине полосы устройства 10 нм его базовые блоки могут быть ис­пользованы для создания неблокирующего матричного коммутатора емкостью 1024x1024. Основ­ные характеристики БЭ приведены в табл. 10-3.