Реферат: Оптоволоконные линии связи

Изучение потерь показало, что для получения максимального коэффициента передачи через звездный соединитель следует использовать толстые волноводные слои, малую разность показателей преломления волноводного слоя и под­ложки, короткие гребневые волноводы и большие факторы заполнения (w/a). Для ВСМ (WGR -Waveguide Grating Router), показанного на рис. 2.4 и имеющего оптимальные параметры волноводов (толщина волноведущей пластины t = 0,5 мкм, высота h и ширина w гребня равны соответственно 4 и 7 мкм, рас­стояние между центрами каналов а = 9 мкм, относительная разность показате­лей преломления Dn/n = 0,67 % при nподл = 1,4457), потери на кристалле мо­гут быть меньше 0,2 дБ.

Уменьшение потерь при распростра­нении сигналов в значительной степени зависит от правильного выбора формы траекторий оптических каналов. Путь решения проблемы минимизации по­терь состоит в использовании семейства полиномиальных Р-  и WP-кривых (рис.2.5),

рис2.5

обеспечивающих соеди­нение заданных начальных и конечных точек кривыми с непрерывно изменяю­щейся кривизной, и оптимизируют про­хождение излучения по траекториям с минимальными потерями. Таким обра­зом, минимальные размеры устройства определяются заданным уровнем поте­рь. Расчеты выполняются с помощью простого алгоритма на компьютере типа PC. С помощью предложенной методики был рассчитан и реализован мультиплек­сор на основе волноводного слоя Si02, нанесенного путем эпитаксиального ос­аждения из газовой фазы на кремниевую подложку. Параметры изготовленного мультиплексора приведены ниже:

Рабочая длина волны                                                              1,55 мкм

Показатель преломления подложки                                       1,469

Разность показателей преломления                                        1,5 х 10-2

Размеры канала (ширина, полная высота,

протравленная высота)                                                  6,5 х 4,5 х 2,5 мкм3

Число входных/выходных каналов                                        16/16

Спектральное разрешение                                             1,6 им (200 ГГц)

Спектральная область                                                              25,6 нм

Число каналов                                                                          60

Длина дисперсионного элемента                                            6.1 мм

Расстояние между каналами

на входе звездного соединителя                                             20 мкм

Порядок интерференции                                                                   60

Разность длин оптического пути

двух соседних каналов                                                             63.1 мкм

Площадь устройства                                                               4,2 х 1,7 см2

Измеренные потери при передаче волокно - волокно составили 5±2 дБ, средний спектральный интервал между каналами - 199.5 ГГц, средняя ширина полосы каналов по уровню половины интенсивности - 44 ГГц. В пределах ширины полосы канала перекрестные помехи соответствовали 35 дБ.

В результате взаимного влияния ка­налов возникают аберрации. Для их уменьшения может быть использована корректирующая схема, которая оп­тимизирует положения фокусов звезд­ных соединителей и длины каналов дис­пергирующей системы так, чтобы обес­печить более точное выполнение преоб­разования Фурье в звездных соедините­лях. Такой в мультиплексор может работать как N х N переключа­тель. Если к входам мультиплексора подсоединить N лазеров, каждый из которых перестраивается в пределах N длин волн, то любой из лазеров может быть соединен с любым выходным ка­налом.

Наряду с гребенчатыми волноводами в мультиплексорах используются зара­щенные или закрытые покровным слоем волноводы. В этих случаях применяются волноводы с сердцевиной, повышенный показатель преломления которой обес­печивается путем введения легирующих примесей, использования композицион­ных волноводов и др. Сердцевина канальных волноводов обычно имеет площадь 25...50 мкм2 и разность показателей преломления доли процента от n. Это обеспечивает малые потери при распространении излучения по волноводам (0,05...0,1 дБ/см) и при стыковке волноводов с волоконными световодами (~0,1 дБ).

Таблица 2.1 Экспериментальные и теоретиче­ские характеристики мультиплексоров

В таблице 2.1 приве­дены экспериментальные и теоретиче­ские характеристики мультиплексоров, изготовленных на основе канальных вол­новодов, размер сердцевины которых и разность показателей преломления со­ставляют соответственно 7х7 мкм2 и 0,75 %.

Сравнение теоретических и экспери­ментальных результатов для различных видов мультиплексоров показывает, что такие характеристики, как центральная длина волны, число каналов, спектраль­ный интервал между каналами и ширина полосы частот по уровню половинной мощности могут быть достаточно точно предсказаны с помощью метода лучево­го распространения. Таким образом, волноводные спектральные мультиплек­соры на основе SiO2/Si позволяют реали­зовать малые потери при передаче во­локно - волокно и дают возможность объединять оптические схемы с электронными на основе Si.

Достижения в области создания вол­новодов на SiO2/Si с малыми потерями и ВСМ/Д на их основе сделали возмож­ным изготовление надежных и экономич­ных модулей мультиплексоров для си­стем со спектральным уплотнением. Мо­дули мультиплексоров 1х8 на основе SiO2/Si доведены до уровня коммерче­ской эксплуатации.

При работе мультиплексоров чрезвы­чайно важна стабилизация центральной длины волны, для чего требуется темпе­ратурный контроль, который невозмо­жен без знания температурной зависимости сдвига центральной длины волны. Поэтому для указанных модулей были проведены соответствующие испытания, причем наибольший интерес представля­ли такие параметры мультиплексора, как сдвиг центральной длины волны при изменении температуры, а также тепло­вая деградация. Испытания проводились как для устройств на открытых кристал­лах, так и для модулей, заключенных в пластмассовый корпус. Модули были снабжены специальными нагревателями и температурными датчиками (термисторами). Протестированные модули имели следующие рабочие характеристи­ки: вносимые потери < 10 дБ, интервал между каналами - 200 ГГц (1,6 нм), поляризационная чувствительность < ±0,05 нм, зависимость потерь от по­ляризации <1 дБ при комнатной темпе­ратуре. Потребляемая мощность сос­тавляла 5 Вт, размеры корпуса -100х55х17 мм3

Результаты испытаний модулей, за­ключенных в корпус, показали относи­тельно малое изменение вносимых по­терь (< ±0,5 дБ ) после 950 часов работы при температуре 85°С, а сдвиг централь­ной длины волны в течение тестирования оказался меньше 0,01 нм. Следователь­но, данные модули могут надежно и стабильно использоваться даже в усло­виях высоких температур.

Волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры на InP. До недавнего времени ВСМ (фазары) на SiO2/Si демонстрировали лучшие эксплуатационные характеристики и ка­зались наиболее подходящими для прак­тического применения. Однако в послед­ние время наблюдается значительный прогресс в области создания волноводных устройств на основе полупроводниковых соединений. Последние дают воз­можность интегрировать как пассивные, так и активные устройства на единой подложке. Так были изготовлены муль­типлексоры на основе глубокой гребне­вой волноводной Рис.2.7

структуры, показанной на рис.2.6. Их структура состоит из четверного слоя InGaAsP толщиной 1мкм и верхнего слоя InP толщиной 1мкм, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии из газовых источ­ников. Для удаления полимера с боко­вых сторон гребня и получения вертика­льных боковых стенок волновод толщи­ной 2,5 мкм глубоко стравливался ниже несущего слоя (примерно на 0,6 мкм) путем многоступенчатого реактивного ионного травления. Параметры структу­ры были рассчитаны для получения одинаковых постоянных распростране­ния ТЕ- и ТМ-поляризаций. Преиму­щество структуры с глубоким травле­нием состоит в том, что двулучепрело­мление не зависит от глубины травления, а определяется только толщиной волноводного слоя и шириной волновода. Другим ее преимуществом является оче­нь высокая степень ограничения света, что дает возможность использовать из­гибы с малым радиусом кривизны (R ~70 мкм) без значительного увеличе­ния потерь. Это позволяет создавать мультиплексоры чрезвычайно малых размеров.

Характеристики двух поляризационно независимых фазаров с 4 и 16 канала­ми в области длин волн 1,55 мкм и размерами 0,5х0,5 и 1,0х0,9 мм2 соот­ветственно имеют следующие значения: интервал между соседними каналами -3,2 и 2,03 нм, перекрестные помехи - 28 и 20 дБ, вносимые потери - 11 и 13 дБ. Данные результаты свидетельствуют о пригодности этих мультиплексоров к монолитной интеграции с активными устройствами: полупроводниковыми ла­зерами, усилителями, детекторами и т. п.

2.1.3.    Интеграция оптических устройств.

Перспективы использования ВСМ/Д на оконечных станциях ВОЛС непосред­ственно связаны с возможностями их интеграции с источниками излучения, приемниками, усилителями и др.

Интегральные источники излучения. На передающих станциях излучение от матрицы лазеров, работающих на дли­нах волн l1, ... ln. должно быть объеди­нено в один канал для ввода в волокон­ный световод оптической линии связи. Это может быть осуществлено путем использования матрицы из Y-соединителей. путем соединения излучения лазеров с помощью ВСМ. объединения усилите­лей и ВСМ в единый интегральный блок с одним выходным каналом, а также другими способами.

Объединители на основе InP были интегрированы с решеткой из че­тырех лазеров с распределенной обрат­ной связью (РОС) с длинами волн излу­чения в области 1,55 мкм и спектральным интервалом между отдельными излучателями 2 нм, выполненными на единой подложке. При этом вносимые потери составляли значительную вели­чину. В дальнейшем потери были не­сколько уменьшены. На рис.2.7 приведена интегральная схема модуля из четырех РОС лазеров, состы­кованных с мощностным полимерным (1х4) объединителем, так же выполнен­ным на подложке из InР. Поперечное сечение заращенной полимерной струк­туры показано на рис.2.8.

Рис.2.8

Изготовление модуля проводилось в два этапа. На первом методом молеку­лярной эпитаксии и травления реактив­ным ионным пучком была изготовлена лазерная структура с заращенными греб­невыми волноводами. Переход от актив­ной области к пассивной достигался с помощью вертикального травления, вплоть до подложки с использованием СН4/Н2/Аr. На втором этапе на основе волновода из полисульфона в качестве волноводного слоя и ПММА в качестве обрамляющих слоев был создан пассив­ный объединитель. Сначала на подложку из InP с помощью центрифуги наноси­лись полимерные слои, а затем путем фотолитографии и реактивного ионного травления формировались полосковые волноводы объединителя.

Аналогичные модули были реализо­ваны с использованием матрицы из лазеров с распределенными брэгговскими отражателями (РБО) (рис.2.9).

Рис.2.9

В отличие от РОС лазеров, работающих на фиксированной длине волны, определяе­мой периодом брэгговской структуры, РБО лазеры позволяют более гибко подстраивать длину волны путем изме­нения тока в пассивной секции брэгговского отражателя. Так, изменение тока от 0 до 30 мА приводило к изменению длины волны лазера на 4,5 нм. Четыре РБО лазера работали в области длин волн 1,55 мкм со спектральным интер­валом между ними 4 нм. Длина активной секции лазеров составляла примерно 900 мкм, а секция брэгговского отражателя -500 мкм. Изменение тока на брэгговском отражателе позволяло производить под­стройку длины волны генерации с точно­стью лучшей, чем ±0,2 нм. Устройство было реализовано в три стадии роста с помощью мсталлорганичсской эпитаксии из газовой фазы (MOVPE). Вначале изготавливался активный слой из четы­рех InGaAsP напряженных потенциальных ям с оптическим ограничением. Активные лазерные области подверга­лись сухому травлению, а пассивный слой с шириной запрещенной зоны 1.3 мкм был получен в процессе селектив­ного эпитаксиального роста при исполь­зовании маски из нитрида кремния. В результате была реализована структура, состоящая из активных и пассивных областей, соединенных в торец. Для точного подбора толщины решетки на верхней части пассивного слоя выращи­валась структура, состоящая из четырех­компонентного тонкого слоя, помещен­ного между слоями InP. Затем с помо­щью одномерной голографической лито­графии изготавливались четыре решетки с разными периодами. Период первой решетки составлял 240 нм, периоды других отличались на 0,625 нм и обес­печивали таким образом спектральный интервал между длинами волн излучения лазеров, равный 4 нм. Гребенчатые вол­новоды Y-разветвителей объединителя и лазерные волноводы были изготовлены за один процесс литографии. Мощность каждого лазера составляла 0,2 мВт, размеры готового устройства были рав­ны 3х1 мм2.

Рис. 2.10

представляющие со­бой усилители со сколотыми зеркальны­ми гранями и вместе с одиночным выходным портом образующие опти­ческий резонатор (рис. 2.10). Если усили­тели обеспечивают достаточное усиле­ние, чтобы скомпенсировать все потери резонатора, то происходит генерация лазера на длине волны, определяемой фильтром соответствующего канала. Каждый из К усилителей в портах от 1 до N будет, таким образом, генериро­вать оптическую длину волны lt. Интер­валы между оптическими каналами об­условлены внутренним резонатором и определяются с большой точностью. Одновременное действие на всех длинах волн достигается простым запуском всех усилителей. Конкретная информация на каждом оптическом lt канале задается путем непосредственной модуляции тока смещения соответствующего усилителя. Была продемонстрирована работа МЧЛ, состоящего из 16 каналов. Устройство может обеспечивать мощность 13 дБм на канал при вводе в одномодовое волокно при одновременной работе всех каналов. Каждый канал мог быть модулирован со скоростью 622 Мб/с, демонстрируя об­щую битовую скорость 10 Гб/с (16х622 Мб/с). Средний интервал между канала­ми составлял 200 ГГц. Прямая скорость модуляции ограничивалась в результате запаздывания, связанного со временем одного прохода резонатора, и составля­ла 2,5 ГГц. Уменьшение размеров ус­тройства позволит получить более высо­кую скорость модуляции.

Сравнение МЧЛ и матрицы РОС лазеров позволило оценить преимущества и недостатки каждого из них. Так, каждый отдельный РОС лазер мож­ет модулироваться с очень высокой скоростью, так как имеет короткий ре­зонатор. Кроме того, размеры кристалла РОС лазера значительно меньше разме­ров МЧЛ, так как в этом случае отсут­ствуют и фокусирующая решетка, и волноводная матричная решетка. Одна­ко преимущество МЧЛ состоит в том, что они позволяют получать спектраль­ное расположение оптических каналов с высокой точностью, обусловленной ис­пользованием независимого фильтра для каждой генерируемой длины волны. В отличие от МЧЛ индивидуальные длины волн, матрицы РОС лазеров могут дрейфовать друг относительно друга в результате старения. В дополнение к недостаткам матрицы РОС лазеров мож­но отнести и то, что ее внутренние потери пропорциональны числу каналов, вследствие чего их увеличение затруднительно. На основе проведенного сравне­ния можно сделать следующие выводы.

Если необходимо малое число кана­лов, предпочтительней оказываются РОС лазеры ввиду их компактности. Однако когда число каналов с различны­ми длинами волн увеличивается, свой­ственный МЧЛ контроль за расположе­нием оптических каналов по спектраль­ным интервалам может способствовать значительному увеличению недостатков, связанных с его размерами. Следовате­льно, МЧЛ может найти широкое при­менение в системах с волноводным спектральным уплотнением, требующих большого числа каналов с различными длинами волн, но с умеренной скоро­стью передачи данных в одном канале.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12