Принципы и методы оптической волноводной обработки сигналов

Классификация и применение интегрально-оптических систем

ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Лекция 4

Интегральная оптика зародилась в начале 70-х годов ХХ века на стыке современной оптики и квантовой электроники. Она изучает процессы генерации, распространения и преобразования оптического излучения в очень тонких прозрачных пленках (слоях) - пленочных волноводах и базируется на достижениях современной оптики и квантовой электроники, техники СВЧ, полупроводниковой электроники, физики кристаллов, а также технологии полупроводниковых приборов и интегральных электронных микросхем.

Интегрально-оптические системы содержат тонкопленочные генераторы излучения, пленочные волноводы, модуляторы, дефлекторы, направленные ответвители, фотодетекторы и другие элементы, выполненные на базе одного технологического процесса и на общей подложке.

Основу структуры представляет плоский диэлектрический волновод. Волноводные структуры могут быть сформированы на поверхности или в объеме диэлектрической подложки технологическими методами, близкими к методам создания электронных интегральных микросхем. Размещая на той же подложке источник и приемник излучения, и элементы, предназначенные для преобразования оптического излучения (модуляторы, дефлекторы, смесители, фильтры и другие), можно создавать малогабаритные интегрально-оптические устройства с повышенной надежностью, малой потребляемой мощностью и низкими управляющими напряжениями, способные выполнять разнообразные функции.

Рассмотрение общих принципов оптической волноводной обработки информации и методов построения ОИС для информационной техники тесно связано с классификацией ОИС и выбором для них базовых волноводных элементов и материалов. Оптические интегральные схемы можно классифицировать по различным признакам: по принципам построения, назначению, типу применяемых материалов и т. д. С практической точки зрения наиболее существенное различие ОИС связано с возможностью или необходимостью их стыковки с волоконными световодами.

В зависимости от типа соединений можно выделить три основных вида ОИС:

· требующие стыковки с волоконными световодами на входе и выходе;

· требующие стыковки с волоконными световодами только на выходе;

· не требующие стыковки с волоконными световодами.

Оптические интегральные схемы второго и третьего видов на входе стыкуются либо с излучателем (обычно полупроводниковым лазерным диодом), либо с другой ОИС, а ОИС третьего вида на выходе стыкуются либо с фотоприемниками, либо с другой ОИС.

С точки зрения функционального назначения можно выделить три основных класса ОИС для обработки информации:

· аналоговые ОИС для обработки сигналов;

· цифровые и логические ОИС для вычислительной техники;

· коммутирующие ОИС.

Примерами ОИС первого класса могут служить интегрально-оптические спектроанализаторы высокочастотных сигналов, корреляторы, конвольверы аналоговых и цифровых сигналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). К ОИС второго класса следует отнести арифметические и логические ОИС, мультистабильные ОИС и некоторые другие. Перечисленные ОИС по типу входных и выходных соединений относятся, как правило, к третьему виду. Наиболее разработанными в настоящее время являются коммутирующие ОИС, такие, как многоканальные переключатели и матричные коммутаторы, которые в силу своей универсальности могут быть выполнены, как ОИС всех трех видов. Оправданность предложенной классификации ОИС для обработки информации будет ясна из дальнейшего рассмотрения примеров конкретной реализации различных ОИС.

Интегрально-оптические устройства используются:

· в волоконно-оптических системах связи для пространственно-временного преобразования оптических сигналов, их частотной селекции, а также для «уплотнения» сигналов в оптических каналах;

· в системах обработки и хранения оптической информации (интегрально-оптические анализаторы спектра, корреляторы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи);

· в качестве датчиков физических величин: температуры, давления, напряженности электрического поля и др.

Основой любого интегрально-оптического устройства являются оптические интегральные микросхемы (ОИС). Имеется два основных типа оптических интегральных микросхем.

К первому типу относятся монолитные схемы, в которых все элементы выполнены из одного материала. Так как подавляющее большинство оптических интегральных схем требует источников света и приемников, которые могут быть изготовлены только из активных материалов, монолитные интегральные схемы выполняются на основе активных материалов, например полупроводников.

Ко второму типу относятся гибридные схемы, в которых два или несколько видов материала каким-либо технологическим способом объединяются для оптимизации характеристик оптических элементов, входящих в состав оптической интегральной схемы.

Гибридные схемы обладают более широким спектром выполняемых операций, но из-за тепловых деформаций и вибраций возможно рассогласование элементов и даже отказы схемы. Вследствие этого по мере развития технологии доля используемых монолитных оптических интегральных схем возрастает.

В настоящее время разработаны практически все элементы, необходимые для создания интегрально-оптических схем: планарные волноводы с малыми потерями, элементы связи для ввода света в волновод и вывода из него, пленочные переключатели, ответвители, модуляторы, источники света и фотодетекторы, а также линзы, призмы, отражатели, поляризаторы и другие оптические элементы в тонкопленочном исполнении.

При использовании волноводных методов оптической обработки информации обеспечиваются наибольшая ширина полосы спектра обрабатываемых сигналов (≈ 10 ГГц, что примерно на порядок превышает значения, полученные другими методами), а также максимальное значение произведения ширины полосы Δ f на длительность сигнала τ (примерно 10⁶). Основное преимущество оптических методов заключается в том, что операции обработки сигналов (умножение, суммирование, интегрирование и т. п.) выполняются за время, пренебрежимо малое по сравнению с временем поступления данных, т. е. в реальном масштабе времени.

В соответствии с предложенной классификацией ОИС для обработки информации по функциональному признаку основные принципы оптической волноводной обработки информационных сигналов и данных опираются на аналоговые и цифровые методы управления и обработки оптических и электрических сигналов. Аналоговые оптические методы обработки применяются для создания аналоговых ОИС для обработки сигналов и данных с помощью ПАВ (поверхностной акустической волны) и электрооптически управляемых элементов. Такие аналоговые ОИС могут работать с данными, представленными как в аналоговой, так и цифровой форме. В цифровых оптических методах используются оптические бистабильность и мультистабильность, обусловленные нелинейными свойствами отдельных элементов, и они наиболее перспективны для построения полностью оптических (оптически управляемых) логических и цифровых ОИС. Наряду с этим при построении оптических логических элементов и логических ОИС находят применение и аналоговые методы управления оптическими сигналами.

В настоящее время разработаны оптические волноводные процессороы для обработки сигналов (ОИС для обработки сигналов) и оптические волноводные процессоры для цифровой оптической обработки данных (логические и цифровые ОИС). В них используются интегральные операции Фурье-преобразования в планарных волноводах. На их основе построены различные интегрально-оптические спектроанализаторы, корреляторы и конвольверы высокочастотных сигналов; электрооптические аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов; разнообразные логические и цифровые ОИС, основанные на нелинейных свойствах как материала самого волновода (внутренняя нелинейность), так и внешней обратной связи.

В оптически управляемых ИО-устройствах и ОИС используется нелинейная зависимость показателя преломления или поглощения материала волновода от поля световой волны, обусловленная главным образом нелинейной восприимчивостью третьего порядка. Наиболее пригодны для этих целей волноводы на основе полупроводниковых соединений А ^III В ^V, в частности GаАs. Что касается методов построения коммутирующих ОИС, то самым перспективным является волноводное переключение и коммутация с помощью электрооптически управляемых направленных ответвителей на основе связанных канальных или полосковых волноводов, хотя практический интерес представляют и другие типы волноводных коммутационных элементов.

При разработке и создании ОИС для обработки информации основными проблемами являются выбор материалов для волноводов и ОИС в целом и базовых волноводных элементов, на основе которых могут быть построены различные функциональные ОИС. Для построения волноводного тракта ОИС применяются различные типы трехмерных (канальных и полосковых) волноводов. Выбор того или иного типа волновода определяется конструктивно-технологическими и схемотехническими особенностями построения конкретных ОИС с учетом свойств самих волноводов. Основными базовыми волноводными элементами ОИС могут служить волноводные переключатели на основе электрооптически управляемых направленных ответвителей, пересекающихся или разветвляющихся волноводов, электрооптически управляемые волноводные интерферометры (модуляторы) типа Маха - Цандлера, волноводные Y-образные разветвители и соединители, а также пассивные волноводные фокусирующие и дифракционные элементы. Наряду с перечисленными другими необходимыми активными элементами ОИС для обработки информации являются источники излучения (полупроводниковые лазерные диоды) и фотоприемники, электро- и акустооптически управляемые дифракционные элементы, предназначенные для модуляции и отклонения оптических пучков в планарных волноводах с помощью электрооптического эффекта либо ПАВ. Базовые волноводные элементы, как правило, четырехполюсные, хорошо стыкуются между собой и с другими оптическими элементами и допускают большую гибкость в реализации сложных ОИС на общей подложке в гибридном или монолитном исполнении.

Дата добавления: 2014-01-15