Сети и системы связи

Представлен краткий обзор работ по монолитным интегрально-оптическим многофункциональным устройствам, выполненным в основном на базе полимерных материалов. Рассматриваются разнообразные устройства: чипы, объединяющие оптические модуляторы и усилители, оптические делители, мульти/демультиплексоры, ЛЗ на полосковых волноводах длиной в несколько метров и расположенных на подложках с миллиметровыми поперечными размерами, оптические переключатели. Обсуждаются отдельные характеристики устройств. Рассмотренные устройства в основном реализовывались на полиимидных полимерах, в необходимых случаях легированных различными добавками (неодимом, эрбием и др.).

Совершенствуется интегрально-оптический мульти/демультиплексор на базе решеточного массива полосковых волноводов. Ставится цель улучшить характеристики устройства в отношении нежелательных потерь излучения и в большей степени защитить каналы связи от различных флуктуаций, напр., длины волны излучения. К числу предлагаемых мер отнесены неравномерные пространственные расположения входных и выходных концов полосковых волноводов решеточного массива, неравномерные оптические пути волноводов, отличающиеся спектральные интервалы между разными смежными парами мультиплексированных каналов. 9 ил.

Ставится цель улучшить характеристики интегрально-оптических устройств, использующих полосковые волноводы. От точности расположения полосков, напр., в V-образном разветвителе, существенно зависят результирующие характеристики устройства. Одним из вариантов контроля характеристик будущего устройства является изготовление реперных точек, на которые должны ориентироваться элементы будущего устройства. Обсуждаются варианты их миним. количества и оптим. расположения. Уделено внимание проблемам, связанным с использованием реперных точек для более точного размещения полосковых волноводов в интегрально-оптических схемах.

Совершенствуются интегрально-оптические устройства, использующие решетки из полосковых волноводов и предназначенные для применения в системах оптической связи с мультиплексированием по длинам волн. Модифицируется узел соединения торцов полосковых волноводов, соединенных в решетку, с оптическим мульти/демультиплексором. Отмечается, что с т. зрения более плотного спектрального расположения каналов желательно близкое взаимное расположение торцов волноводов, но это вызывает нежелательные перекрестные искажения. Предлагается в промежутках между смежными волноводами в районе их концов делать клиновидные, расширяющиеся к окончаниям полосков области с пониженным показателем преломления. В качестве возможных типичных размеров клиновидных областей указывается их протяженность 500 мкм и макс. ширина в районе торцов полосков ЭКВИВ7 мкм. Подобные области с пониженным показателем преломления могут обеспечить хорошую развязку волноводов и, как следствие, низкие перекрестные помехи при плотном расположении торцов волноводов. 6 ил.

Предлагаются конструкции узлов интегрально-оптических устройств, содержащих полосковые и планарные волноводы, а также гребенчатые дифракционные решетки. Особенностью предлагаемых узлов является присутствие в них изменяющихся вдоль полоскового волновода параметров. Среди рассмотренных вариантов: различные легирующие добавки и разная степень легирования вдоль полоска, различная высота или ширина полоска вдоль его длины, перем. период или глубина штрихов решетки. Обсуждаются приложения подобных волноводных решеточных элементов (с перем. параметрами) для волноводных оптических устройств. 4 ил.

Предлагается метод изготовления дифракционных решеток для интегрально-оптических устройств. Решетки записываются сбиванием пары лазерных пучков на фоторезистивную пленку, нанесенную на поверхность подложки и последующим травлением через полученную маску. Определенной особенностью предлагаемого метода является помещение подложки на поворотный столик и проведение повторного экспонирования при др. ее расположении. Реализованы двумерные брэгговские решетки, двумерные решетки с блеском, решетки Мойра 2-го порядка и др. В большинстве приведенных примеров решетки выполнялись на InGaAsP структурах. Обсуждаются особенности предложенной технологии и варианты приложений решеток.

Теоретически анализируются характеристики интегрально-оптического устройства на полосковом волноводе. У входного торца волновод расширен, далее на некотором участке он суживается до рабочего значения. Этим полагается лучше согласовать сечения полоска и стыкуемого к нему волокна. Волновод имеет форму одинакового по высоте гребенчатого полоска. Анализируется структура Si/SiO[2], расположенная на кремниевой подложке. Для анализа использован метод распространяющегося пучка. В зависимости от параметров полоска и суживающегося участка рассчитывались распределения поля моды в полоске на разных его участках и оптические потери. По результатам численных расчетов указываются отдельные оптим. размеры волновода, суживающегося участка, сечения входного оптического пучка.

Предлагается интегральное устройство, объединяющее набор оптических элементов с разными рабочими длинами волн. Устройство использует общую подложку, на одной из поверхности которой делается интерференционный фильтр из чередующихся слоев с большим и низким показателем преломления. Особенностью фильтра является то, что слои фильтра вдоль его поверхности имеют постепенно изменяющуюся толщину, так что на разных участках фильтр настроен на разную длину волны. С др. стороны подложки располагается массив микролинз, к которым далее, в свою очередь, примыкает массив излучателей или приемников. Соответственно, каждый участок подложки излучает (или принимает) излучение в узком спектральном интервале.

Разрабатывается многоканальный интегрально-оптический дефлектор. На подложке располагают собственно дефлектор, массив V-канавок, в которые укладываются входные и выходные оптические волокна, пластины с цилиндрической линзой для согласования волокон и интегрально-оптических волноводов, электронные микросхемы для управления дефлектором, систему проводников для связи микросхем с дефлектором. Обсуждается технология прецизионной сборки устройства и фиксации элементов, напр., с помощью материалов, полимеризуемых УФ-излучением.

Совершенствуется устройство волноводного маршрутизатора. К функциям устройства относится распределитель излучение из N входных полосковых волноводов или волокон по N выходным волноводам или волокнам. Схемы таких устройств используют оптические мульти/демультиплексоры на базе волноводных дифракционных решеток. Отмечается, что количество каналов N сложно довести до значения дифракционного порядка m, в котором используется решетка, т. к. существенно возрастают перекрестные помехи. Предлагается ряд мер, чтобы максимально плотно расположить каналы. К числу основных мер отнесено предложение избегать равномерностей в волноводной решетке, связывающей входные и выходные каналы. Также целесообразно число волноводов в решетке M брать отличающимся от N. В этом случае N*N маршрутизатор на входе будет иметь звездообразный разветвитель N*M, далее массив из M волноводов, в конце устройства будет располагаться звездообразный разветвитель M*N. Приводятся результаты экспериментов с 40*40 и 80*80 маршрутизаторами. 7 ил.

Теоретически и экспериментально исследуется интегрально-оптический спектральный фильтр, выполненный на базе кремниевой структуры. Методами литографии на поверхности кремниевой подложки изготавливается гофрированная решетка для брэгговской дифракции в 1-м порядке излучения с длиной волны 1543 нм (период решетки ЭКВИВ223 нм, глубина ЭКВИВ150 нм). Последующими технол. операциями подложка протравливается т. обр., чтобы получился гребенчатый полосковый волновод (ширина – 4, высота – 0,8 мкм) с брэгговской решеткой. Изучались спектральные характеристики пропускания данного волноводного фильтра. При длинах решеток ЭКВИВ4 мм спектральная полоса фильтров составляла 15 ГГц (0,12 нм). Для мод ТМ- и ТЕ-поляризаций макс. брэгговское отражение составляло 50% и 90%, соответственно.

Реализован 400 канальный интегрально-оптический мульти/демультиплексор на базе дифракционных решеток из массивов полосковых волноводов. Используется 2 симметрично расположенные и пересекающиеся идентичные волноводные решетки. Волноводы из двуокиси кремния располагаются на кремниевой подложке диаметром 18,24 см. Сердцевины волноводов размером 4,5*4,5 мкм{2} имеют увеличенный на 1,5% по сравнению с подслоем показатель преломления. Число волноводов в решетках составляет 1175. Устройство рассчитано на полное перекрытие полосы эрбиевого усилителя 1530-1610 нм. Расстояние между каналами составляет 25 ГГц. Представлены и исследованы спектры 400 демультиплексированных каналов. Вносимые устройством потери находились в пределах 3,8-6,4 дБ. Перекрестные помехи смежных и максимально разнесенных каналов составляли -20 и -30 дБ, соответственно.

Теоретически исследуется интегрально-оптическое устройство, которое м. б. использовано, в частности, в качестве эл.-оптического модулятора. Схема устройства содержит волноводный кольцевой резонатор и интерферометр Маха-Цендера. С помощью управляющего напряжения интерферометра можно регулировать ответвление излучения в резонатор. Устройство м. б. использовано в качестве направленного оптического ответвителя, переключателя, модулятора. Представлены характеристики устройств.

Совершенствуется устройство для измерения мощности оптического излучения. Во многих случаях требуется определять мощность не одним фотодетектором, а несколькими, подстроенными под разные длины волн; в последствии производится обработка результатов измерений. Отмечается, что хорошим вариантом устройства м. б. измеритель, выполненный на базе демультиплексора на основе волноводного дифракционной решетки, на выходе которого излучение каждого из спектрально разделенных каналов фиксируется своим детектором. К определенным недостаткам подобного устройства отнесено следующее: спектральное распределение излучения в каждом из каналов будет иметь гауссову форму, тогда как для детекторов предпочтительно прямоугольное распределение. Чтобы в значительной степени убрать этот недостаток предлагается на детекторы направлять излучение из пар смежных каналов. Пары смежных зависимостей мощности от длины волны будут относительно неплохо соответствовать прямоугольному типу, хотя по отдельности будут оставаться гауссовыми. 6 ил.

Предложен ряд интегрально-оптических волноводных модуляторов. В основе схем используется интерферометр Маха-Цендера на полосковых волноводах. К числу основных различий схем относится схема электродов: электроды м. б. различными по длине, могут располагаться асимметрично как в продольном, так и в поперечном направлениях, иметь форму, отличающуюся от полосок и др. Также предлагаются различные геометрии формы непосредственно полосковой структуры интерферометра.

Представлена технология и приводятся примеры выполненных по ней устройств, в которых объединяются толстый многомодовый волновод и разнообразные др. элементы: оптические приемники, излучатели, оптические волокна и пр. Рассматриваемые волноводы выполняются на полимерных материалах. Штампов в волноводе выдавливается определенный рельеф, система углублений, прорезей и пр. Выдавливание может проводится с одновременным подогревом или охлаждением подложки. В углубления м. б. помещены фотоприемники, излучатели так, чтобы их рабочие площадки были непосредственно обращены вглубь волноводов. Также в углубления м. б. помещены микрооптические 45° отражатели. В этом случае излучение м. б. введено или выведено вертикально, напр., к торцу волокна. Углубления могут иметь диаметр порядка 700 мкм. Точность позиционирования была в пределах нескольких десятков микрон, что было достаточным для автоматизации процесса изготовления углублений и дальнейшей сборки волновода и прочих элементов в единый модуль.