Коммуритующие оптические интегральные схемы

 

Коммутация оптических сигналов является одной из основных операций в системах оптической обработки и передачи информации.

В настоящее время для разработки коммутирующих ОИС используются три основных типа электрооптически управляемых оптических ответвителей:

1. на основе связанных волноводов (волноводный направленный ответвитель);

2. волноводный брэгговский ответвитель;

3. ответвитель на основе пересекающихся или разветвляющихся волноводов с управляемой связью или зеркалами полного внутреннего отражения.

Коммутирующие ОИС могут быть выполнены в виде набора последовательно или параллельно соединенных оптических ответвителей.

Рассмотрим методы построения и архитектуру последовательных ИО-коммутаторов. Они выполняются по схеме 1хN каналов и являются, по сути, многоканальными переключателями. На рис. 6.6, а - в приведены схемы простейших последовательных ИО-коммутаторов 1хN каналов, выполненных на основе направленных ответвителей и разветвляющихся волноводов на ниобате лития.

Последовательные ИО-коммутаторы обладают рядом достоинств:

· высокое быстродействие (частота переключения порядка нескольких сотен МГц);

· высокую эффективность переключения (свыше 99%);

· хорошую защищенность от переходных влияний между соседними каналами (до -25 дБ);

· низкие вносимые потери (не более 5 дБ с учетом потерь на стыковку волноводов с одномодовыми оптическими волокнами).

Интегрально-оптические коммутаторы на разветвляющихся волноводах могут быть выполнены на основе, как направленных ответвителей, так и электрооптических управляемых отражателей с симметричным и асимметричным разветвлением волноводов. Для построения ИО-коммутатора по схеме 1х4 канала требуются только три управляемых оптических ответвителя. В ИО-коммутаторе с электрооптическими управляемыми отражателями переключение каналов выполняется тремя потенциалами 0 и ±Uп, защищенность от переходных влияний между коммутируемыми каналами для симметричного и асимметричного вариантов коммутатора составляет 15 и 25 дБ соответственно. Аналогичную архитектуру имеют ИО-коммутаторы на основе разветвляющихся волноводов с направленной связью. Однако с увеличением числа коммутируемых каналов N длина рассмотренных последовательных ИО-коммутаторов значительно возрастают, что затрудняет построение сложных многофункциональных ОИС.

В последовательных ИО-коммутаторах применяются также волноводные брэгговские ответвители (рис. 6.6, г). Такой ИО-коммутатор может осуществлять переключение каналов и пространственное разделение по длинам волн оптического излучения в планарном волноводе со скоростью переключения свыше 100 МГц при напряжении переключения не более 10 В. Однако и в этом случае для увеличения числа коммутируемых каналов требуется увеличивать линейные размеры коммутирующей ОИС.

Матричные коммутирующие ОИС обеспечивают коммутацию произвольных входных и выходных каналов оптической схемы. Для построения матричных коммутирующих ОИС используются те же три основных типа управляемых оптических ответвителей, что и в последовательных ИО-коммутаторах. Наиболее разработанными являются матричные ОИС на основе электрооптически управляемых направленных ответвителей.

Построение многоэлементных матричных коммутаторов по схеме NхN каналов на основе таких ОВ с полной коммутацией всех входных и выходных волноводов возможно только при строгом контроле заданных коэффициентов связи и соответствующего фазового рассогласования для каждой пары связанных волноводов. Так как это трудно реализовать на практике, в настоящее время нашли широкое применение матричные коммутирующие ОИС на основе различных комбинаций последовательно и параллельно соединенных электрооптических управляемых направленных ответвителей на связанных волноводах.

На рис. 6.7 приведены различные варианты построения матричных коммутирующих ОИС на NхN каналов на основе волноводных направленных ответвителей. Архитектура таких ОИС определяется числом коммутируемых входов и выходов и зависит от допустимого уровня вносимых потерь и защищенности от переходных влияний между коммутируемыми каналами (перекрестных помех).

Максимальное число коммутируемых каналов в матричной коммутирующей ОИС и, следовательно, число элементарных управляемых направленных ответвителей, каскадно соединенных друг с другом, ограничиваются общей длиной подложки ОИС и длиной элементарного волноводного переключателя.

Построение более гибких перестраиваемых коммутирующих ОИС требует более сложной их архитектуры (рис. 6.7, в). В таких ОИС выбором управляемых направленных ответвителей можно получить различные варианты матричных коммутирующих ОИС с заданными характеристиками и независимой коммутацией призвольных входных и выходных каналов при уровне перекрестных помех между каналами -35 дБ.

Для обеспечения коммутации N входных и выходных каналов схема такого типа должна содержать как минимум 2N - 1 управляемых ответвителей. Для повышения защищенности между каналами от переходных влияний в коммутирующих ОИС до уровня -40 дБ применяется существенно более сложная архитектура ОИС с пространственно разнесенными входными и выходными канальными волноводами. При этом для вполне определенной архитектуры коммутирующей ОИС с увеличением числа коммутируемых каналов защищенность между каналами от переходных влияний снижается.

Представляют также интерес матричные коммутирующие ОИС на основе пересекающихся канальных и полосковых волноводов с зеркалами полного внутреннего отражения и на основе волноводных брэгговских ответвителей в планарных волноводах. Их архитектура имеет много общего (рис. 6.8). Для построения переключателей на зеркалах полного внутреннего отражения могут применяться как одномодовые, так и многомодовые волноводы. Для улучшения характеристик (уменьшения напряжения переключения и снижения перекрестных помех) в коммутирующих ОИС на основе пересекающихся волноводов коммутационный элемент выполняет с протяженной областью пересечения и связи (непосредственной или распределенной) соединяемых волноводов. В такой ОИС, выполненной по схеме 4х4 канала на шести элементарных переключателях на подложке из ниобата лития общей длиной 40 мм, на длине волны 0,83 мкм напряжение и время переключения составляют соответственно ±5 В и 1 нс, вносимые потери не превышают 6 дБ, а перекрестные помехи -25 дБ.

Интересные взоможности для построения многофункциональных коммутирующих ОИС с улучшенными характеристиками открывают трехсекционные электрически управляемые направленные ответвители, переключатели на основе ответвителей на трех связанных волноводах с промежуточным волноводом, переключатели на ответвителях с усилением оптического сигнала, на основе нелинейных волноводов, оптически управляемые волноводные переключатели на основе квантоворазмерных структур на полупроводниковых соединениях АIIIВV и др. Этом направление открывает большие возможности для разработки и построения многофункциональных коммутирующих ОИС, способных одновременно как обрабатывать, так и коммутировать оптические и электрические сигналы.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Гибридные бистабильные устройства на основе резонаторов Фабри - Перо и направленного ответвителя на связанных ОВ

2. ИО-муль-тивибратор. Интегральнооптический вентиль. ИО-транзистор

3. Фотонная логика на основе нелинейных оптических явлений

4. Арифметические и функциональные вычислительные оптические интегральные схемы

5. Коммуритующие оптические интегральные схемы

6. Матричные коммутирующие ОИС на основе направленных ответвителей

7. Матричные коммутирующие ОИС на основе ответвителей на пересекающихся волноводах, на основе брэгговских ответвителей