Интегральная оптика для оптической связи
АрхивИнтегральная оптика появилась позже волоконной, ее можно по праву считать младшей сестрой в семье оптических волноводов. Как результат, очень многие направления в развитии интегральной оптики были как бы "эхом" развития подобных систем в оптике волоконной. Как старшая сестра, волоконная оптика сумела быстрее дойти до взрослого состояния и была удачно "сосватана" быстро развивающейся лазерной промышленности. Но интегральная оптика тоже заметно повзрослела и сейчас все чаще приходит на помощь родственнице в деле создания современных систем оптической связи. Пока именно в этой отрасли уникальные достоинства интегральной оптики, а именно: возможность миниатюризации, интеграции и выполнения целого ряда функций оптической обработки сигналов, нашли наибольшее применение с точки зрения промышленной реализации.
Рынок систем спектрального уплотнения сигналов является одним из наиболее перспективных. Согласно исследованию, проведенному фирмой ElectroniCast Corp., San Mateo (Калифорния), его емкость к концу века составит 4,17 млрд. долларов. Учитывая, что в 1996 году оборот этого рынка составил около 100 млн. долларов, мы получаем среднегодовой прирост в размере 110%. Между 2000 и 2005 годом этот рост будет более умеренным и должен составить 24% в год, достигнув к 2005 году 12,1 млрд. долларов.
Таким образом, для устройств интегральной оптики, призванных решать телекоммуникационные задачи, сложилась весьма благоприятная ситуация. После окончания "холодной войны" и, как следствие, уменьшения заказов для военных нужд, в оптической промышленности вообще и в оптоэлектронике в частности образовались избыточные ресурсы в виде высококвалифицированных кадров, технологий и перспективных разработок. Если в России, где произошли аналогичные процессы, все эти ресурсы в основном пошли в утиль, то на Западе (в первую очередь это относится к США, где доля милитаризации оптических исследований была особенно высока) многие фирмы переключили область своей активности на более перспективные рынки, в том числе на разработку систем для оптической связи. Как результат - большое количество участников рынка устройств интегральной оптики для ВОЛС, что в перспективе обещает высокое качество изделий при достаточно разумных ценах.
Существуют три основных (если говорить о коммерчески доступных продуктах) способа спектрального уплотнения сигналов: 1) с помощью интерференционных фильтров, 2) брэгговских решеток на волокне и 3) фазосогласованных волноводов на решетках. У всех методов есть свои плюсы и достоинства, но мы остановимся на фазососогласованных волноводных решетках, поскольку только их и можно считать чисто интегрально-оптическими элементами.
Рис. 2
Начнем с общего принципа работы таких устройств. В его основе лежит уникальное свойство оптического волновода - тот факт, что в волноводе каждая длина волны распространяется по своей собственной траектории. Поэтому путем подбора соответствующих условий можно развести значительное число длин волн. На рис. 2 приведена схема фазосогласованной волноводной решетки или фазара (PHASed ARrayed waveguide grating). Сигнал с одного из входных волокон попадает на фокусирующую решетку, которая разводит сигнал по канальным волноводам. Каждый волновод отделен от другого на одну и ту же постоянную длину DL, что дает одинаковый фазовый сдвиг для всей системы. Наличие фазового сдвига приводит к смещению хода луча и определяет длину волны, на которой будет распространяться данный конкретный пучок. Благодаря этому фазовому сдвигу, каждая световая волна попадает в "свой" волновод. А постоянство фазового сдвига для всей системы приводит к тому, что соответствующие каналы (а как уже было отмечено, каждому каналу соответствует своя длина волны) разнесены на одинаковую длину волны. Это дает массу преимуществ, например, по номеру канала можно, зная начальную длину волны и постоянную изменения фазового набега (который и определяет длину волны), определить длину волны любого конкретного канала. Пропускная способность подобной системы определяется числом каналов. Решеточная маска работает здесь как спектральный элемент и позволяет "вырезать" конкретную длину волны. В настоящее время эта система уже выпускается в промышленных масштабах, и недавно (октябрь 1997 г.) было сообщено о создании образца с переключением каналов 64х64. На рис. 3 показана уже конкретная схема устройства, используемого в реальных структурах. Вся схема расположена на кремниевой структуре, что облегчает ее возможную интеграцию с электронными элементами. Как видно из рис. 4, все 32 мультиплексируемых в схеме канала достаточно хорошо отделяются друг от друга (конечно же при условии достаточно низких потерь). Как видно из этого же рисунка, на уровне 25 дБ и ниже возникают боковые лепестки ("размывание" пиков), что может привести к невозможности однозначной идентификации данной длины волны. Реально достигнутые потери для данной структуры составляли от 3,5 до 5,9 дБ, что является очень хорошим значением для устройств интегральной оптики.
Рис. 3Рис. 4
Следующим шагом в развитии систем интегральной оптики стало создание оптических add/drop multiplexer (ADM). Уникальной особенностью данной архитектуры является тот факт, что она позволяет получить доступ к любому (!) из каналов данной коммуникационной системы. Это очень важно с практической точки зрения, поскольку позволяет повысить скорость и точность доставки информации по каждому конкретному адресу. Вряд ли кого-нибудь обрадовала бы перспектива узнать, что его письмо попадает к нему с точностью до лестничной клетки или, скажем, с точностью до подъезда.
Рис. 5
На рис. 5 представлена схема 16-канального ADM, разработанного фирмой NTT. Устройство состоит из 4 фазаров (каждый на 16 волноводных каналов) с совершенно одинаковыми параметрами используемых решеток и системы термооптических (ТО) переключателей. Спектральный диапазон данной системы 3300 ГГц (26,4 нм), что соответствует рабочей полосе оптических усилителей. 16 одинаково разделенных сигналов с длинами волн l1, l2,…. l16 вводятся через основной порт, а затем каждый вводится в ТО-переключатель и проходит через модулятор Маха-Цендера (который представляет собой основной элемент ТО-переключателя), прежде чем достигнуть выходного порта. Положение "off" переключателя соответствует случаю, когда сигнал из левого (правого) входного порта попадает в правый (левый) выходной порт. Положение "on" соответствует случаю, когда сигнал из левого (правого) попадает в левый (правый) выходной порт. При положении переключателя "off", демультиплексированный сигнал с помощью фазара 1 (2) пересекает плечо и снова мультиплексируется фазаром 3 (4). С другой стороны, в положении переключателя "on", свет с помощью фазара 1 (2) проходит через плечо интерферометра и мультиплексируется фазаром 4 (3). Кроме того, сигнал на любой определенной длине волны может быть извлечен из основного выходного порта и направлен в дроп-порт путем соответствующей установки переключателей. А сигнал, попавший в дроп-порт, может быть добавлен в число сигналов, попадающих на основной выходной порт. Например, если переключатели 2, 4, 6, 7, 9, 12, 13 и 15 находятся в положении "on", то это означает, что выбранные длины волн l2, l4, l6, l7, l9, l12, l13 и l15 будут извлечены из основного выходного порта и направлены в дроп-порт. Следует отметить пониженное энергопотребление данного устройства, что делает его более экономичным.
Рис. 6
Рассмотренные устройства предназначены для использования в магистральных системах оптической связи, но системы спектрального уплотнения могут быть успешно использованы и в локальных сетях, в том числе системах "волокно в каждый дом". На рис. 6 приведена схема одного из таких устройств, разработанного NTT, - оптического приемно-передающего устройства на 1,3/1,55 мкм, а также его фотография. Данный трансивер обладает следующими преимуществами: Устройство способно обеспечить одновременную передачу со скоростью 50 Мбит/с как цифрового, так и видеосигнала, и это отнюдь не предел. Следующим шагом в развитии подобных структур является уменьшение стоимости такого приемо-передающего устройства, стандартизация его функций, характеристик, устройств согласования и т. д., то есть того, без чего невозможно широкое промышленное производство. Еще одним новым подходом в создании интегрально-оптических систем является развитие элементов на солитонных системах. Кроме того, есть достаточно остроумные разработки по системам не только пространственной, но и временной обработки сигналов для задач спектральной обработки сигналов. В основе этих подходов лежит использование временной модуляции оптических сигналов как обычными модуляторами на ячейках Керра, так и методами нелинейной оптики. Но на данный момент системы временной модуляции и солитонные системы пока что в достаточной степени экзотика для интегральной оптики - разработки в данной области еще не вышли за пределы лабораторий. Теперь о материалах. Этот вопрос имеет исключительно важное значение, поскольку речь идет, как уже говорилось выше, о промышленном использовании, и здесь роль правильного выбора резко возрастает. Отметим, что рассмотренные выше фазары (как и другие элементы интегральной оптики) создаются на основе самых различных материалов - кремния, ниобата лития, стекла и даже полупроводниковых материалов. Любой из них имеет свои преимущества и недостатки. Было бы заманчиво использовать для задач интегральной оптики кремний - материал, сыгравший столь выдающуюся роль в микроэлектронике. Преимущества такого подхода очевидны, в первую очередь потому, что свойства кремния изучены очень хорошо (кремний - химический элемент, на изучение которого человечество истратило больше всего денег за всю историю своего существования). К сожалению, его оптические свойства оказались таковы, что для задач интегральной оптики он оказался не столь удобным материалом. В первую очередь, это связано с тем, что показатель преломления кремния сильно отличается от показателя преломления оптического волокна, что создает большие трудности для интеграции. Аналогичные проблемы существуют для ниобата лития - уникального кристалла, обладающего великолепными акустическими и электрооптическими свойствами, что крайне важно для систем обработки сигналов. С точки зрения совместимости по показателю преломления, стекло является идеальным материалом. Оно обладает еще одним важным преимуществом по сравнению с любым кристаллом (в том числе с ниобатом лития), а именно возможностью широкой модификации его состава и, как следствие, свойств. Стеклу можно придать активные свойства, сделать его нелинейным материалом и т. д., но за все надо платить. Приобретая новые свойства, стекло теряет старые: меняется показатель преломления, ухудшаются технологические возможности изготовления (при помощи ионного обмена в том числе). Очень перспективными представляются полупроводниковые материалы. Широкие возможности выбора позволяют создавать на их основе высокочастотные приемники и усилители излучения, а также системы спектрального уплотнения сигналов на основе периодических волноводных структур. Но есть проблема именно для задач массового производства: материалы, используемые для этих задач, достаточно дороги, что вкупе с достаточно сложной технологией изготовления является преградой для широкого использования. С точки зрения стоимости, наиболее подходящий кандидат здесь - также оптическое стекло. Существует еще целый ряд важных задач, которые необходимо решить для развертывания массового производства, включая создание надежных, мощных и недорогих источников лазерного излучения на 1,3/1,55 мкм, снижение стоимости интегрально-оптических детекторов, а также поиск путей удешевления устройств внешней модуляции сигнала. Все это очень интересно, но, как говаривал Козьма Прутков, "нельзя объять необъятного", и при рассмотрении любой задачи следует в какой-то момент ставить точку. Оптоволоконные трансиверы привлекают внимание ряда фирм, среди которых можно назвать NTT, Siemens, Hewlett Packard, Sun Microsystems, Lightwave Technologies, - список можно продолжить. Повышенный интерес к этому классу устройств объясняется их способностью значительно уменьшить расходы по реализации оптоволоконной сети. Применение временного или спектрального уплотнения позволяет использовать единственное волокно и для приема, и для передачи данных, - напомним, что традиционные оптоволоконные сети, как правило, используют для приема и передачи данных отдельные световоды. Как результат, значительно снижаются затраты и на само волокно, и на пассивные элементы сети. А современные интегральные технологии позволяют скрыть всю достаточно сложную начинку от потребителя и, при массовом производстве, значительно уменьшить стоимость активных сетевых элементов. Пропускная способность отдельных моделей трансиверов (по крайней мере, лабораторных образцов) уже сейчас достигает нескольких гигабит в секунду, другие едва дотягивают до 50 мегабит. Одни модели ориентированы на использование одномодового, другие - многомодового волокна. Но все вместе они способны сделать оптоволокно настолько же (или даже более) распространенной и обыденной вещью, как витая пара и коаксиальный кабель. Рассмотрим продукцию, уже сейчас предлагаемую английской компанией Bookham Technology (www.bookham.co.uk). В основу ее разработок положена оригинальная технология Active Silicon integrated Optical Circuit (ASOC). Она совместима с традиционными процессами изготовления микросхем и позволяет реализовать как составные элементы одномодовых оптических трактов (спектральные фильтры, ключи, коммутаторы и сумматоры сигналов, аттенюаторы, амплитудные и фазовые модуляторы), так и полнофункциональные трансиверы и оптические датчики. Из продуктовой линейки компании выделяется полнодуплексный WDM-трансивер BKM-2400. Он предназначен для организации двухточечных соединений и пассивных, с выделенным сервером, оптоволоконных локальных сетей (FTTC (Curb), FTTB (Building), FTTH (home)). Устройство трансивера представлено на рисунке. Сигналы с длиной волны 1550 нм поступают на спектральный фильтр, а из него - на регистрирующий фотодиод. Излучение лазера с длиной волны 1310 нм, мощность которого контролируется дополнительным фотодиодом, поступает на фильтр и из него - на одномодовое волокно (интересно, что оптические волокна, прикрепленные к интегральным пластинам, имеют забавное название - pig tails, или, в переводе, свиные хвостики). Скорость приема/передачи данных - 155 Мбит/с и выше. На этом же сайте можно найти информацию о превосходстве интегральных технологий над традиционными, микрооптическими. Судя по всему, при миллионных тиражах трансиверы станут доступны и российским пользователям… Примером единения оптики, механики и электроники могут служить микромеханические устройства, изготовленные с использованием нанотехнологий. Их тоже, оказывается, не стоит сбрасывать со счетов. Например, трансивер, основанный на технологии REMO, использует поворотное микрозеркало, модулирующее отраженный поток света. Это позволяет обойтись без дорогостоящего лазера в обратном канале и, тем самым, снизить общую стоимость устройства. По утверждению разработчиков, скорость передачи данных такого трансивера может достигать 3 Мбит/с, хотя и это, думается, не предел - Г.Б.
