8. SYSTEMY ZINTEGROWANE

W rozdziale tym zostanie pokazanych kilka przykładów różnych typów urządzeń optoelektroniki zintegrowanej, zostaną również omówione cechy charakterystyczne tych urządzeń. Ponieważ w dziedzinie integracji optycznej trwają intensywne badania i pojawiają się wciąż nowe rozwiązania przedstawione przykłady służą jedynie do przedstawienia generalnych idei i rozwiązań.

1. Sprzęgacze i przełączniki

Sprzęgacze stanowią istotne elementy systemów telekomunikacyjnych w których zapewniają zespolenie sygnałów z kilku źródeł bądź podział sygnału pomiędzy dwa lub więcej kanałów. Sprzęgacze pasywne wykonuje się przez stopienie rdzeni światłowodów albo w postaci planarnej na podłożu z niobianu litu lub półprzewodnikowym. Wadą takich rozwiązań jest stosunkowo duża długość sprzężenia wynosząca na przykład 3000⋅l przy separacji na odległość 30mm. Zastosowanie materiału w którym występuje efekt elektrooptyczny (Pockelsa) odległość tę można zredukować do kilkuset długości fali, uzyskując przy tym sprzęgacz aktywny (przełącznik).

Rys. 8.1. Sprzęgacz kierunkowy przełączany elektrycznie. Konfiguracja dwuelektrodowa typu COBRA.

Przełącznik można skonstruować umieszczając blisko siebie dwa światłowody paskowe jak pokazano na Rys. 8.1. Pole zanikające generowane poza falowodem pozwala na sprzężenie pomiędzy falowodami. Gdy mody prowadzone w obydwu falowodach mają jednakowe stałe propagacji b i amplitudy odpowiednio A i B (Rys. 8.1), równania modów sprzężonych można zapisać następująco:

( 8.1)

gdzie C jest współczynnikiem sprzężenia na jednostkę długości. W tym przypadku, zakładając brak strat, cała energia z falowodu X zostanie przekazana do falowodu Y na długości sprzężenia L₀, można również wykazać że L₀=p/2C. Jednakże jeżeli mody prowadzone mają różne stałe propagacji jedynie część energii z falowodu X zostanie wprowadzona do falowodu Y a później z powrotem przekazana do falowodu X. Należy również zauważyć, że jeżeli stałe propagacji są różne, długość sprzężenia L jest mniejsza niż L₀ i pomimo że przekazuje się mniej energii, wymiana zachodzi szybciej. To właśnie zjawisko może być wykorzystane do budowy przełącznika optycznego. Różnica stałych propagacji może być tak dobrana, że długość sprzężenia zostanie zredukowana do L₀/2. W tym przypadku energia przekazana z jednego falowodu do drugiego na długości L₀/2 zostanie następnie całkowicie zwrócona na tej samej długości. Istnieją więc dwa stany przełącznika o długości L₀: pierwszy gdy cała energia z jednego falowodu zostanie przekazana do drugiego, drugi gdy L= L₀/2 i energia zostaje z powrotem przekazana do pierwotnego falowodu.

Rys. 8.2. Przełącznik z dzielonymi elektrodami.

Przełączniki optyczne tego typu wykonuje się przez umieszczenie elektrod na każdym ze sprzęganych falowodów (Rys. 8.1) umożliwiając w ten sposób różnicową zmianę stałej propagacji każdego z nich. Przełączniki o powyższym sposobie działania nazywa się COBRA (franc. Comutateur Optique Binare RApide), wykonywane są najczęściej na podłożu z niobianu litu dyfundowanego tytanem. Produkcja tego urządzenia narzuca jednak bardzo ostre kryteria wykonania ponieważ długość sprzęgania musi być dokładnie równa L₀ lub jej nieparzystej wielokrotności. Problem ten może być rozwiązany przez podział elektrod na połowy i zasilanie każdej z połówek przeciwną polaryzacją (Rys. 8.2). W tym typie przełącznika (ang. Stepped Db Reversal Coupler) zawsze jest możliwe dokładne osiągnięcie obydwu opisanych wcześniej stanów sprzężenia poprzez odpowiedni dobór ujemnego napięcia czyli elektryczny dobór efektywnej długości sprzężenia tak by była ona równa L₀.

1. Modulatory

W bezpośredniej modulacji prądu wstrzykiwania laserów półprzewodnikowych częstotliwość modulacji ograniczona jest do kilku GHz, oraz istnieje modulacja długości fali niepożądana w systemach WDM/OFDM. Wad tych nie posiada technika modulacji zewnętrznej. Proste modulatory OOK mogą być zbudowane z wykorzystaniem przełączników opisanych wcześniej. Do modulacji fazy wykorzystywane jest zjawisko elektrooptyczne w którym zmiana współczynnika załamania dn następuje pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego E:

(8.2)

gdzie: n₁ jest współczynnikiem załamania, a r jest stałą elektrooptyczną.

Zmiana współczynnika załamania powoduje zmianę fazy rozchodzącej się fali. Zmiana fazy df na długości L wynosi:

(8.3)

Gdy pole elektryczne jest prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali możemy wykorzystać zależność (8.2) co daje:

(8.4)

Natężenie pola E jest równe UL/d, gdzie d jest odległością pomiędzy elektrodami a U jest napięciem do nich przyłożonym. Daje to:

(8.5)

Jak łatwo zauważyć, aby obniżyć przyłożone napięcie U niezbędne do uzyskania określonej zmiany fazy stosunek L/d powinien być jak największy.

Rys. 8.3. Prosty paskowy modulator fazy.

Najprostszy modulator może być zbudowany z wykorzystaniem światłowodu paskowego i układu elektrod jak na Rys. 8.3. Modulatory tego rodzaju wytworzone drogą dyfuzji Nb w LiTaO₃ , przy stosunku L/d około 1000 (np. 2cm/2mm) dają przesunięcie fazy p radianów przy napięciu około 1V.

Dwa modulatory fazowe mogą być również wykorzystane do budowy interferometrycznego modulatora intensywności (Rys. 8.4). Wejściowy strumień świetlny dzielony jest pomiędzy dwa ramiona interferometru Macha-Zehndera. Bez napięcia obydwa strumienie docierają do sprzęgacza wyjściowego bez zmiany fazy dając maksimum odpowiadające stanowi załączenia. Układ elektrod pod wpływem przyłożonego napięcia zapewnia odpowiednie przesunięcie fazy w każdym z ramion. Gdy względne przesunięcie faz w ramionach interferometru jest równe p uzyskuje się minimum strumienia wyjściowego.

Rys. 8.4. Interferometryczny modulator intensywności o konfiguracji Macha-Zehndera.

Przykładowy modulator tego typu o długości ramion 6mm, szczelinie 0,9mm i napięciu zał/wył 3,8V osiągał pasmo modulacji 1,1GHz [1].

Do budowy modulatorów można również wykorzystać efekt akustooptyczny. Zasada działania tego rodzaju urządzeń opiera się na dyfrakcji promienia na fali akustycznej przebiegającej w przezroczystym ośrodku. Fala akustyczna wywołuje na swojej drodze okresowe zmiany gęstości ośrodka (tj. naprężenia mechaniczne), powodując zmiany współczynnika załamania wskutek efektu fotoelastycznego. Powstaje w ten sposób ruchoma siatka dyfrakcyjna, która sprawia że strumień świetlny przecinający falę akustyczną przechodzi z modu zerowego do wyższych modów.

Wykorzystane być mogą dwa rodzaje dyfrakcji Bragga oraz Ramana-Natha. Dyfrakcja Bragga daje jednak większą głębokość modulacji przy danej mocy wejściowej, ponieważ powoduje ona przejście modu zerowego do modu pierwszego rzędu zamiast do wielu modów wyższych rzędów jak to się dzieje w przypadku dyfrakcji Ramana-Natha.

Dyfrakcję Bragga osiąga się przez wytworzenie w urządzeniu dostatecznie długiej drogi oddziaływania, działającej jak „gruba” siatka dyfrakcyjna. Modulator falowodowy wykorzystujący efekt akustooptyczny został pokazany na Rys. 8.5. Na podłożu z materiału piezoelektrycznego (np. niobianu litu) utworzony został falowód cienkowarstwowy na przykład przez dyfuzję tytanu lub dyfuzję wsteczną litu. Akustyczna fala powierzchniowa (ang. Surface Acoustic Wave - SAW) zostaje wytworzona w przetworniku grzebieniowym napylonym na podłożu. Kierunek fali akustycznej jest prostopadły do osi falowodu optycznego. Warunek powstania dyfrakcji Bragga dla modów zerowego i pierwszego rzędu jest następujący:

( 8.6)

gdzie Θ_B jest kątem pomiędzy czołami fali akustycznej i świetlnej, l₁ długością fali świetlnej w falowodzie a L długością fali akustycznej. W tym przypadku strumień świetlny zostanie załamany pod kątem Θ_B jak pokazano na Rys. 8.5.

Rys. 8.5. Modulator falowodowy wykorzystujący efekt akustooptyczny.

Stosunek podziału pomiędzy modem zerowym i pierwszym zależy sprawności generacji a także od szerokości akustycznej fali powierzchniowej określającej efektywną długość oddziaływania. Pomimo, że efektywność dyfrakcji jest normalnie bardzo mała (nie większa niż 20%), różnica pomiędzy stanem załączenia i wyłączenia może być bardzo duża. Opisana wyżej technika może być wykorzystana do budowy zarówno modulatorów intensywności jak i modulatorów częstotliwości. Do budowy modulatorów o podobnej zasadzie działania może być wykorzystany efekt magnetooptyczny. Wykonany jest on wówczas na podłożu wykazującym tego rodzaju właściwości np. Y₃FeO₁₂ lub Gd₃GaO₁₂. Fala powierzchniowa jest wytwarzana przez bezpośrednie oddziaływanie mikrofali modulującej.

1. Integracja optyczna

Opisane w poprzednich rozdziałach elementy można łączyć ze sobą na jednym podłożu otrzymując w ten sposób „optyczny układ scalony”. Będzie to układ hybrydowy ponieważ elementy elektroniczne muszą być dołączene zewnętrznie. Jako przykład przedstawiono (Rys. 8.6) zintegrowany odbiornik koherentny wykonany na podłożu z niobianu litu zawierający wszystkie elementy niezbędne do obróbki sygnału optycznego: sterownik polaryzacji, sterownik fazy i mieszacz. Oscylator lokalny oraz detektory dołączane są zewnętrznie.

Rys. 8.6. Zintegrowany odbiornik koherentny.

1. Integracja optyczno-elektroniczna

Integracja połączonych ze sobą urządzeń optycznych i elektronicznych stanowi ważny dział badań systemów światłowodowych. W ostatnich latach powstało wiele udanych konstrukcji scalonych nadajników i odbiorników optycznych. Monolityczna integracja źródeł optycznych może być realizowana z wykorzystaniem półprzewodników III-V grupy. Materiały te posiadają szereg użytecznych właściwości zarówno optycznych jak i elektronicznych. Elementy pracujące w zakresie długości fali 800÷900nm produkuje się najczęściej z GaAs/AlGaAs, natomiast w zakresie 1100÷1600nm są wykonywane z InGaAsP/InP. Detektory na krótszy zakres widmowy mogą być również wykonane na bazie krzemu. Na Rys. 8.7 pokazano przykładowe rozwiązanie takiego detektora. Światło jest w nim sprzęgane za pomocą siatki i prowadzone w płaskim falowodzie szklanym aż do złącza detektora.

Rys. 8.7. Zintegrowany fotodetektor na podłożu krzemowym.

Przykład bardziej skomplikowanego „optycznego układu scalonego”, który może służyć jako odbiornik systemu WDM, pokazano na Rys. 8.8. Na krzemowym podłożu wytworzone zostały filtry mikrosiatkowe oraz matryce fotodiod Schottkiego. Możliwe są dwa wykonania tego układu - z wykorzystaniem filtrów typu transmisyjnego bądź z wykorzystaniem filtrów typu odbiciowego.

Rys. 8.8. Monolityczne demultipleksery WDM wykonane na podłożu krzemowym.

Integracji nadajnika i odbiornika można dokonać na bazie półprzewodników III-V grupy układu okresowego. Przykład takiego rozwiązania przedstawia Rys. 8.9 gdzie na jednym podłożu wykonano LED, fotodiodę PIN oraz tranzystory FET wraz z rezystorami polaryzującymi. Układ ten może być skonfigurowany jako liniowe źródło, odbiornik PIN-FET lub regenerator.

Rys. 8.9. Integracja LED, fotodiody PIN oraz wzmacniaczy FET.

Monolityczna integracja wpłynęła również na rozwój optycznych urządzeń bistabilnych. Przykład tego typu struktury pokazano na poniższym rysunku (Rys. 8.10), gdzie na podłożu z arsenku galu (GaAs) wytworzono sprzęgacz kierunkowy o dzielonych elektrodach (Rys. 8.2) oraz detektor (przez implantację). Współpracuje on z zewnętrznym wzmacniaczem i osiąga szybkość przełączania rzędu 1ms przy energii optycznej mniejszej niż 1nJ [1].

Rys. 8.10.Monolityczny optyczny przełącznik bistabilny.

1. Perspektywy

Wielu funkcji oferowanych przez optyczne układy scalone nie można zrealizować za pomocą urządzeń elektronicznych. Technologia hybrydowej integracji elementów optoelektronicznych wykonanych na różnych podłożach jest już dosyć dobrze rozwinięta. Wydaje się jednak, że najbardziej atrakcyjne dla systemów światłowodowych czwartej generacji są technologie monolitycznej integracji optoelektronicznej na podłożu półprzewodnikowym III-V grupy, dające możliwość scalenia źródeł, detektorów oraz wszystkich innych elementów toru optycznego. Urządzenia tego rodzaju posiadają, na pierwszy rzut oka, stosunkowo dużą długość w porównaniu z czysto elektronicznymi to znaczy mniejszy możliwy współczynnik upakowania, wynika to z niezbędnej do prawidłowego ich działania długości interakcji. Ich szybkość działania wydaje się potencjalnie trzy rzędy wielkości większa od szybkości urządzeń elektronicznych, to znaczy czasy przełączania rzędu pikosekund. Tak wielkie szybkości przełączania pozwalają na pełne wykorzystanie olbrzymiego pasma przenoszenia światłowodów.

Rozwój optycznych urządzeń bistabilnych a co za tym idzie optycznych urządzeń logicznych, w połączeniu z rozwojem w dziedzinie integracji monolitycznej, wiedzie nieuchronnie do prac nad komputerem optycznym. Prototypowe rozwiązania zostały już zaprezentowane. W systemie światłowodowym komputer taki mógłby zastąpić centrale sieciowe, które są obecnie jedynymi elementami systemu jeszcze opierającymi się inwazji fotoniki.

---