Задача №12.
Изобразить энергетические диаграммы и приближённые временные зависимости сигналов на управляющих шинах ПЗС- линейки. Определить тактовую частоту, период следования тактовых импульсов и оценить длительность импульса переноса для стандартного телевизионного сигнала (625 строк, 25 кадров в секунду).
8. Интегрально-оптические схемы
8.1. Основные определения
Основной задачей интегральной оптики(ИО) является разработка и применение миниатюрных твёрдотельных оптических и оптоэлектронных устройств на основепланарных оптическихволноводов(световодов), позволяющих осуществлять передачу, обработку и хранение оптической информации.
С точки зрения выполняемых функций все схемы ИО принято делить на 4 группы:
- структурные элементы(активные и пассивные, некоторые из которых рассмотрены в разделах 3 – 7);
- интегрально-оптические схемы первого уровня(комбинации 2 – 4 элементов на одной подложке);
- интегрально-оптические схемывторого уровня (с большей степенью интеграции)
интегральные оптикоэлектронные схемы, объединяющие излучатель, устройство обработки сигнала и фотоприёмник в одном кристалле (монолитные) или на нескольких кристаллах (гибридные).
8.2. Примеры реализации Интегрально-оптических схем
8.2.1. К интегрально-оптическим схемам первого уровняотносятся более сложные источники и приёмники излучения, переключатели каналов, модуляторы, управляемые или неуправляемые направленные ответвители, дефлекторы, фильтры, преобразователи мод, оптические транзисторы, ячейки памяти и др.
Рассмотрим, например, лазеры с распределёнными брэгговскими отражателями (РБО) (рис.8.1,а) и распределённой обратной связью (РОС)(рис.8.1,б). В РБО ППЛ вместо полированных зеркал, подверженных деградации, используются решетчатые элементы связи, рассмотренные в п.3.3.4. Такие ППЛ имеют значительно больший срок службы, большие мощности и поскольку зеркала селективные – более монохроматическое излучение. Принцип работы ППЛ с РОС аналогичен, но здесь переотражения распределены по всей длине активной области.
8.2.2. На рис.8.1,в показан интегрально-оптический фотоприёмник на GaAs, являющийся соединением оптического волновода иp–i–nфотодиода.
Рис.8.1. ИО схемы первого уровня
Фотодиод работает в фотодиодном режиме и подбором напряжения смещения можно добиться согласования коэффициентов фазы в ОВ и i– области, а подбором длины области взаимодействияLобеспечить 100% квантовый выход (L=1 – 3 мм). В этом варианте ФП устраняется временная задержка, связанная с диффузией фотоносителей, так как фотоны поглощаются непосредственно вi– области и уменьшается ёмкость ФД, что повышает его предельную частотуfПРЕД 2ГГц.
8.2.3. Интегрально-оптические схемы второго уровняпредставляют собой совокупность схем первого уровня и способны реализовать более сложные функции. Для объединения нужны новые структурные элементы.
Интегральные матрицыППЛ необходимы для ВОЛС, голографических запоминающих устройств, лазерных принтеров. Их условно можно разделить на 3 группы:
1. Линейные матрицы с шагом 50мкм для одновременной передачи по одной ВОЛС на разныхметодом спектрального уплотнения;
2. Линейные матрицы с индивидуальной коммутацией ППЛ, расположенных с шагом 100мкм для параллельной передачи информации нескольким ВОЛС;
3. Линейные матрицы без индивидуальной коммутации для получения излучения большой мощности (больше 1Вт в непрерывном режиме);
4. Плоские матрицы для лазерных принтеров.
Реализованы управляемые разветвители для разветвлённых ВОЛС, мультиплексоры и демультиплексоры, АЦП, ЦАП, логические элементы, ячейки памяти (например, на ПЗС) и т.д. Примером является также акустооптический анализатор спектра радиочастот, рассмотренный в подразделе 5.3.
8.2.4. Интегральные оптико-электронные схемы(ИОЭС) - это интеграция на одной подложке элементов интегральной оптики и электронных элементов, образующая законченное функциональное устройство. Основной областью их применения являются передающие и приёмные модули ВОЛС, ретрансляторы и регенераторы. И хотя пока что ИОЭС не могут конкурировать с электронными интегральными схемами по функциональной сложности и сроку службы, перспективы их применения в ближайшем будущем не вызывают сомнений.
Примером является объединение ППЛ и СВЧ-модулятора (см.раздел 6) на основе полевого транзистора с затвором Шоттки(рис.8.2). Активная область ППЛ формируется как часть стока транзистора. Модулирующий сигнал подаётся на затвор и он обеспечивает модуляцию тока в цепи сток – исток, а следовательно, и тока ППЛ. За счёт уменьшения паразитных ёмкостей, индуктивностей и мощности управления на GaAs можно получить частоту модуляцииFМ =10 – 100ГГц (в зависимости от длины затвора). Возможна интеграция и с фотодиодом для контроля излучения лазера и брэгговские или распределённые отражатели вместо зеркал. В этом случае получаем передающий модуль.
Разработан и ретранслятор, объединяющий фотоприёмник, усилитель и ППЛ с коэффициентом усиления 20 дБ при FМ=600 МГц.
Рис.8.2. Объединение ППЛ и модулятора