- Фотон

СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» – НАУКА
№6_2005
ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ
ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРА
ДЛЯ ВОЛОКОННЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
А.А. Гончаров, С.В. Кузьмин, В.В. Светиков, К.К. Свидзинск,
В.А. Сычугов, Н.В. Трусов, Б.А. Усиевич
E-mail: borisu@kapella.gpi.ru
Лаборатории “Волноводная Оптика” Научного Центра Лазерных Материалов и Технологий
Института Общей Физики им. А.М.Прохорова РАН
ВВЕДЕНИЕ
Демультиплексор - первая полностью интегрально-оптическая схема-устройство, выполняющее первичную обработку оптического сигнала. В процессе разработки, реализации и последующего использования этого
устройства выявились его многофункциональные возможности, что сделало это устройство еще более востребованным. Последние 15 лет исследований и усовершенствований этого устройства и разработки технологий его
производства обусловили высокие рабочие характеристики его, а также устройств, выполненных на его основе.
Принцип работы этого устройства описан в ряде работ [1], в том числе и в [2], где оно рассматривается как интегрально-оптический эшелон Майкельсона. Основными параметрами, которые характеризуют демультиплексор,
являются: число разделяемых каналов, рабочий диапазон длин волн, спектральное разделение каналов, потери
света на проход, перекрестные помехи, а также равномерность потерь по спектру. В настоящее время демультиплексоры с требуемыми характеристиками реализованы на различных волноводных системах: SOI, InGa, SiO2SiON [3]. В последнее время наибольшую популярность приобрела система SiO2-SiON, что обусловлено дешевизной используемых материалов, шириной диапазона изменения параметров структур, а также возможностью
получения демультиплексора с высоким качеством [4]. В нашей работе по реализации демультиплексора мы также использовали этот материал. Целью настоящей статьи является демонстрация возможностей SiON-технологии
и представление результатов ее использования на практике.
ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ВОЛНОВОДНОЙ СТРУКТУРЫ
В качестве подложки волноводной структуры мы использовали стандартные для микроэлектроники пластины кремния толщиной ~ 480 мкм и диаметром ∅=100 мм. Первоначально на кремниевую пластину наносился
слой SiO2 толщиной 8 мкм с показателем ns= 1.46. Этот слой служил оптическим изолятором для устранения
утечки света с λ=1.5 мкм из волноводного слоя, нанесенного на слой SiO2, в кремниевую подложку с показателем
преломления n=3.5. Волноводный слой представлял собой слой оксинитрида кремния толщиной h=2.5 мкм с показателем преломления nw =1.495. Слои SiO2 и SiON наносились в установке PECVD “Plasmalab80+” плазмохимическим методом.
После изготовления планарной волноводной структуры использовался стандартный фотолитографический
метод формирования фоторезистивной маски (проекционная печать 1:10) для создания оптической схемы демультиплексора, образованной совокупностью канальных и планарных волноводов. Для формирования волноводных элементов схемы мы использовали реактивное ионное травление в установке RIE “Plasmalab80+”, после
чего осуществлялся отжиг структуры в течение 2 часов при Т=11500С в атмосфере аргона. Затем на поверхность
волноводной структуры наносился защитный слой SiO2 толщиной h ≅ 8 мкм для защиты интегральной схемы от
внешних воздействий. Завершался процесс изготовления интегральной схемы процедурой резки кремниевой подложки на чипы размером 10х10 мм2 и полировкой одного торца чипа, куда были выведены все входные и выходные каналы демультиплексора.
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРА
Оптическая схема демультиплексора показана на рис.1. Она представляет собой набор одномодовых канальных волноводов различной
длины. Разница длин ∆L=const при переходе от меньшего волновода к
большему. Концы канальных волноводов эквидистантно располагаются на
круглых границах планарных участков волноводов, которые являются
фокусирующими элементами схемы. На других границах фокусирующих
элементов схемы тоже эквидистантно располагаются концы канальных
волноводов для ввода и вывода света из схемы. Однако радиус закругления внутренних границ фокусирующих элементов вдвое больше радиуса
внешних границ, чтобы обеспечить лучшую фокусировку света на входных и выходных концах волноводов. Набор канальных волноводов различной длины в совокупности с фокусирующими элементами образуют
Рис.1. Схема демультиплексора, реализованного на основе волноводной
структуры SiO2-SiON
www.fotonexpress.ru e-mail@fotonexpress.ru
27
СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» – НАУКА
№6_2005
дисперсионный элемент демультиплексора, и количество канальных волноводов N в нем является существенным для
эффективной работы устройства. Число N канальных волноводов в наборе должно быть как минимум вдвое больше
числа K разделяемых каналов и не более того количества, при котором возникает туннельная связь между ними. Более
подробные соотношения между параметрами демультиплексора можно найти в работах [2] и [5].
НЕКОТОРЫЕ ДЕТАЛИ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ РЕАЛИЗОВАННОГО
ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРА
Наша задача состояла в том, чтобы всю схему демультиплексора уложить на чипе с размерами 10х10 мм2.
Поэтому ширина канальных волноводов в наборе составляла W=3.0 мкм, длина кратчайшего волновода составляла всего лишь 5.729 мм и ∆L - разница длин волноводов достигала 75.503 мкм. Количество N канальных волноводов в дисперсионном элементе составляло 59 и было почти в 7 раз больше К=8, при этом период расположения
их концов на границе фокусирующих элементов составлял 8.4 мкм. Концы канальных волноводов стыковались с
границами фокусирующих элементов демультиплексора с помощью адиабатических переходов длиной 110 мкм и
начальной шириной 6.5 мкм. Радиус кривизны R границы фокусирующих элементов устройства равнялся
1.823 мм. Ось симметрии фокусирующих элементов проходила через центры кривизны его границ и разделяла
набор канальных волноводов дисперсионного элемента пополам. Поскольку каждый фокусирующий элемент
имеет свою ось симметрии, то угол ϕ=π-2θ между осями фокусирующих элементов мы взяли равным 24.620 (где
θ=77.690), чтобы расположить весь демультиплексор на чипе малого размера (10х10 мм2). Внешняя граница каждого фокусирующего элемента имела радиус кривизны R′=0.912 мм, и она являлась частью окружности Роланда.
Период расположения входных и выходных канальных волноводов на этой границе фокусирующих элементов
составлял s=8.4 мкм, при этом ширина волноводов достигала Win=6.5мкм. Другие торцы канальных волноводов
были выведены на край чипа, торец которого подвергался полировке. Поскольку удаление фокусирующих элементов от края чипа было различным, длины входных и выходных волноводов также различались, но все они
имели 900 поворот с различными радиусами закруглений. Минимальный радиус закругления составлял r = 2.0 мм
и для минимизации потерь света на излучение на этом повороте скачок показателя преломления канальных волноводов составлял ∆n=0.035.
ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАЛИЗОВАННОГО ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРА
пропускание Т, дБ
Для измерения спектральных характеристик пропускания каналов чипа интегрального демультиплексора
использовались источник перестраиваемого излучения (интегрированный в измерительный комплекс EXFO IQ206) и спектрометр Burleigh WA-7100. Ширина спектральной линии источника лазерного излучения комплекса
EXFO IQ-206 равна δλ=0.1 нм на уровне -30 дБ. В ходе исследований измерялась спектральная характеристика
пропускания мультиплексора в диапазоне длин волн λ=1550...1560 нм в режиме Iвх →Jвых (где Iвх - номер входного
канала, Jвых - номер выходного канала). Для обеспечения оптического контакта между одномодовыми световодами и канальными волноводами интегрального чипа последние полировались механическим способом. Измерение
интенсивности света, прошедшего через демультиплексор, проводилось с помощью прибора Burleigh WA-7100,
и, кроме этого, спектрометр Burleigh WA-7100 использовался нами для контроля частоты и интенсивности излучения перестраиваемого лазера, сигнал с ко0
торого подовался на вход № 1 исследуемого
демультиплексора. Все измерения были про-5
ведены при комнатной температуре (Т=240С),
-10
термостабилизация интегрального чипа не
проводилась, поляризация входного излуче-15
ния была произвольной.
На рис.2 представлена спектральная
-20
характеристика прозрачности изготовленного
1.3нм
-25
чипа для случая 1→4 (Iвх=1, Jвых=4). В этом
режиме интегральный чип функционирует в
-30
режиме демультиплексора, т.е. при подаче на
один из входов широкого спектра частот на
-35
каждом из выходных каналов выделяется
-40
заданная спектральная составляющая входного сигнала. Из представленной характеристи-45
ки видно, что спектральная ширина пропус1552
1553
1554
1555
1556
1557
1558
1559
кания канала составляет δλ=1.3 нм по уровню
длина волны λ, нм
-20 дБ. Изменение поляризации входного
Рис.
2.
Спектральная
характеристика прозрачности
сигнала приводило к изменению амплитуды
демультиплексора
для
случая 1-го канального входа
выходного сигнала на уровне измерительных
и 4-го канального выхода устройства
28
www.fotonexpress.ru e-mail@fotonexpress.ru
СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» – НАУКА
0
-5
-10
пропускание Т, дБ
флуктуаций. В этом же режиме работы демультиплексора была измерена величина свободной дисперисии демультиплексора, которая составляет ∆λFSR=17.3 нм и соответствует
расчетной.
На рис.3 представлены наложенные на
одно координатное поле спектральные характеристики, измеренные для всего массива
выходных каналов (Iвх=1, Jвых=1...8). Эта характеристика демонстрирует эквидистантное
расположение спектральных максимумов каналов пропускания, которое равно 0.8 нм.
Перекрестные помехи при подаче на вход
сигнала из восьми спектральных составляющих, соответствующих максимумам пропускания каналов, составили не более -25дБ.
Общие потери света на проход без учета стыковки волокон с канальными волноводами
составляют 3 дБ.
№6_2005
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
1552
1553
1554
1555
1556
1557
1558
1559
длина волны λ, нм
Рис. 3. Спектральные характеристики демультиплексора,
измеренные для всего массива выходных каналов при
включении 1-го канального входа
РАБОТА ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРА В УСТРОЙСТВЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
С ТРЕБУЕМОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ
В системах оптической связи со спектральным уплотнением каналов связи важнейшее значение имеет устройство выделения излучения с требуемой длиной волны из набора всех несущих, составляющих принимаемый
сигнал. В простейшем виде это устройство состоит из последовательно расположенных на единой подложке демультиплексора и древовидного набора S=K-1 переключателей (2х1). Демультиплексор разделяет сигнал по длинам волн, а древовидный переключатель выделяет излучение одной длины волны. Схема устройства представлена на рис.4. В схеме древовидного переключателя (2х1) обычно используется термооптический переключатель
типа интерферометра Маха-Цандера. Если излучение нужной длины выделяется из сигнала, содержащего излучение К несущих длин волн, то количество требуемых переключателей достигает величины S=K-1. В работе [6]
реализован спектральный селектор, выделяющий излучение на одной длине волны из совокупности 32 несущих
мультиплексированного сигнала. Это устройство потребовало 31 переключатель (2х1), выполненный на основе
интегрально-оптических интерферометров Маха-Цандера. Одновременная работа большого числа термооптических переключателей сопровождается существенным выделением тепловой энергии, отвод которой с одновременной стабилизацией теплового режима интегральной схемы представляет собой нетривиальную задачу. Кроме
того, потери света в наборе переключателей являются основным моментом, ограничивающим число выделяемых
сигналов. Для решения возникающей проблемы нами был предложен новый вариант древовидного набора переключателей, позволяющий существенно сократить число требуемых переключателей типа (2х1). В основе нового
способа выделения нужного сигнала лежит присущее демультиплексору используемого типа свойство инвариантности картины спектрального разложения сигнала относительно пространственного сдвига входного канального волновода (изопланатизм). Изменение положения входного канала на входе устройства, а также выделение
сигнала с заданной длиной волны на выходе устройства реализуется с помощью двух древовидных наборов 1хNb
и Nwх1 переключателей соответственно (где Nb– количество поддиапазонов, на которые делится весь диапазон
принимаемых сигналов; Nw– количество разделяемых длин волн в поддиапазоне), состоящих из оптических переключателей 2х2. В общем случае суммарное количество оптических переключателей S, используемых в устройстве, определяется формулой: S=Nb+Nw-2. Минимальное количество переключателей будет иметь место при
Nb=Nw= K . В общем случае оптимальное количество поддиапазонов Nb и число длин волн в них Nw определяется формулами:
( K ) , N = целая часть (К/N )+1. Или наоборот:
N = целая часть ( K ) , N = целая часть (К/N )+1.
Nb= целая часть
w
w
b
b
w
Таким образом, в отличие от обычного селектора, в котором необходимое число переключателей равно (К1), где К- число спектрально уплотненных сигналов на входе селектора, в предлагаемом устройстве в общем слу-
(
)
чае используется S = 2 K − 1 переключателей, т.е. общее число переключателей в оптическом селекторе сокращается почти в K + 1 раз.
2
www.fotonexpress.ru e-mail@fotonexpress.ru
29
СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» – НАУКА
№6_2005
Предлагаемый спектральный селектор излучения работает
следующим образом. Допустим, необходимо выделить сигнал одной спектральной составляющей из 16 спектрально уплотненных
компонент этого сигнала. Для этого прежде всего необходим демультиплексор с 16 входными и 16 выходными каналами, можно,
конечно, использовать демультиплексор и с большим числом каналов, но не меньше.
В случае 16 каналов (16 сигналов) минимальное число переключателей равно 6, из которых 3 переключателя располагаются
перед демультиплексором и 3 - после него. На рис.4 представлена
схема 16-ти канального селектора с минимальным числом переключателей. Вход демультиплексора имеет 4 канала, в каждый из
них подается суммарный спектрально уплотненный сигнал из волоконного световода. Этот сигнал подается на тот или иной вход в
соответствии с управляющим сигналом контроллера.
Как выбираются упоминаемые здесь входы демультиплексора? Прежде всего необходимо определиться с положением выходов. Выходов всего 4, и они располагаются в центре, т.е., если
демультиплексор по сути своей имеет 16 пронумерованных выходов от 1 до 16, то набор выходных переключателей подсоединяется
к выходу № 7, № 8, № 9 и № 10. Положим теперь, что центральной
длиной волны света является λ8=λц=1.55 мкм. При указанном подключении выходного набора переключателей на вход демультиплексора суммарный спектрально уплотненный сигнал должен быть
подан на вход демультиплексора № 2, № 6, № 10 и № 14.
Необходимо отметить, что работающая комбинация входов
и выходов, рассмотренная здесь, не является единственной.
В табл. 1, приведенной ниже, отмечены все возможные работающие комбинации входов и выходов для демультиплексора с 16
спектральными каналами и четырьмя каналами на выходе. Рассмотренная выше комбинация входов и выходов отличается от
других большей однородностью амплитудного распределения выходного сигнала по спектру, и поэтому она наиболее практична.
Причем количество вариантов подключения входного каскада и,
соответственно, выходного, равно отношению количества разделяемых длин волн в применяемом демультиплексоре к количеству
используемых поддиапазонов Nb. Следует отметить, что при задаче
разделения К длин волн в описываемом устройстве возможно применение лишь тех конструкций демультиплексоров, которые рассчитаны на разделение К или большего числа длин волн.
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
10
10
9
11
11
12
13
12
13
14
15
14
16
16
30
15
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
2
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
3
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
4
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
5
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
6
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
7
8
9
10
11
12
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
λ4
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
λ5
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
13
λ6
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
14
15
16
λ7
λ8
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
λ8
λ9
λ 10
λ11
λ 12
λ13
λ14
λ15
λ16
λ9
λ10
λ11
λ12
λ13
λ14
λ15
λ16
выходные каналы
входные каналы демультиплексора
1
Рис. 4.
4А. Схематическое представление оптического селективного переключателя,
предлагаемого в настоящей работе
входной переключатель типа (1хNb),
демультиплексор на 16 каналов связи,
выходной переключатель типа (Nwх1),
контроллер для подачи напряжения на
электроды переключателей.
В изначальном варианте спектрального
селектора [6] набор переключателей на
входе отсутствует, а в выходном наборе
переключателей древовидного типа число
Nw=N=32
4Б. Оптическая схема элементарного переключателя, сделанного по схеме интерферометра Маха-Цандера
делители излучения в виде ММI (многомодовый интерферометр),
одномодовые канальные волноводы,
электроды для создания сдвига фаз в интерферометре
Табл.1. Выходное расположение излучения различных длин волн при последовательном сдвиге входного сигнала по входным каналам демультиплексора. Обведенные столбцы длин волн соответствуют длинам волн, возникающим на входе переключателя (Nwх1) при последовательной подаче сигнала на вход № 2, № 6,
№ 10, № 14 демультиплексора
www.fotonexpress.ru e-mail@fotonexpress.ru
СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» – НАУКА
№6_2005
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Спектральный селектор, основанный на демультиплексоре и наборе термо-оптических переключателей, в
настоящее время широко используется для мониторинга WDM-сигнала. Количество спектральных каналов в
WDM-сигнале, который может быть изучен, определяется набором термо-переключателей, т.е. нагревом чипа, на
котором они изготовлены. В работе I.Shake и др. [6] использован предельно возможный набор, состоящий из 31
термо-переключателя. Однако уже сейчас изготавливаются демультиплексоры на 256 и даже на 512 каналов [7].
Предлагаемое устройство [8] позволяет уже сейчас использовать спектральный селектор для мониторинга WDMсигнала с 256 спектральными компонентами.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность Н.М. Журавлевой за помощь в проведении фотолитографических работ, Ю.В. Паршукову и М.Ю. Лукину за помощь в работе по созданию волноводных структур.
Светиков В.В., Свидзинский К.К., Сычугов В.А., Усиевич Б.А. благодарят РФФИ за материальную
поддержку этой работы, Грант РФФИ № 03-02-16266а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Smit M.K., Cor van Dam “PHASAR-Based WDM-Devices: Principles, Desigh and Application” IEEE J. of Selected in
Quantum Electronics. - 1996. - Vol. 2, № 2. - P. 236-250.
2. Гончаров А.А., Светиков В.В., Свидзинский К.К., Сычугов В.А., Усиевич Б.А. Интегрально-оптический аналог
эшелона Майкельсона, его основные свойства и приложения // Квантовая электроника. - 2004. - Т. 34, № 8. С. 755-760.
3. Свидзинский К.К. Оптические интегральные схемы на основе кремния для терабитных сетей связи // Квантовая электроника. - 2003. - Т. 33, № 8. - С. 699.
4. Svidzinskiy K.K. Silicon-based optical integrated circuits for terabit-rate optical networks // Microelectronics Engineering. - 2003. - Vol. 69. - P. 221-227.
5. Shimoda T., Suzuki K., Takaesu S., Furukawa A. Low-Loss, Polarisation-Independent Silicon-Oxynitride Waveguides
for High-Density Integrated Planar Lightwave Circuits // ECOC. – 2002. - paper 4.2.2.
6. Гончаров А.А., Светиков В.В., Свидзинский К.К., Сычугов В.А., Усиевич Б.А. Интегрально-оптическое устройство спектрального уплотнения и разуплотнения каналов связи. // Радиотехника. - 2004. - № 12. - C. 54-60.
7. Shake I., Kosahara R., Takara H., Ishil M., Inone Y., Ohara T., Hibino Y., Kawanishi K. WDM signal monitoring utilizing asynchronous samling and wavelenght selection based on thermo-optics switch and AWG // Proceedings ECOC.
– 2003. - We 4. - P. 112.
8. Takada K., Abe M., Shibata M., Ishii M., Okamoto K. Low-Crosstalk 10-GHz-Spaced 512-Channel ArrayedWaveguide Grating Multi/Demultiplexer Fabricated on a 4-in Wafer // Photonics Technology Letters. - 2001. - V. 13,
№ 11. - P. 1182.
www.fotonexpress.ru e-mail@fotonexpress.ru
31