Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор по волноводным спектральным системам на основе матриц типа эшелона Майкельсона 11
1.1. Оптические схемы и основные характеристики ВСА 12
1.2. Реализация ВСА 15
1.2.1. ВСА на основе волноводной системы Si-Si02 15
1.2.2. ВСА на основе волноводной системы на InP 21
1.3. Интеграция оптических устройств 23
1.4. Заключение 33
Глава 2 Оптические характеристики волноводных матриц 34
2.1. Оптические волноводные матрицы 34
2.2. Влияние фазовых и амплитудных ошибок на характеристики ВСА 36
2.3. Методы корректировки фазовых ошибок ВСА 40
2.4. Компенсация фазовых ошибок в волноводных матрицах на основе полупроводников 43
2.5. Заключение 45
Глава 3 Исследование спектральных характеристик ВСА 47
3.1. Исследование дисперсионных свойств ВСА 47
3.2. Дисперсионные свойства планарного ВСА 48
3.3. ВСА на основе матрицы канальных волноводов 55
3.4. Волоконный ВСА 62
3.5. Заключение 68
Глава 4 Реализация и разработка новых перспективных вариантов спектральных устройств на основе волноводных матриц 69
4.1. Спектроанализаторы высокого разрешения 69
4.2. Отражательный волноводный спектроанализатор 74
4.3. Двухкаскадный демультиплексор 76
4.4. Применения волноводных матриц в различных устройствах 81
4.5. Заключение 84
Заключение 85
Приложение 87
Методы компенсации фазовых ошибок в волноводных матрицах 87
Литература 99
- Реализация ВСА
- Влияние фазовых и амплитудных ошибок на характеристики ВСА
- Дисперсионные свойства планарного ВСА
- Двухкаскадный демультиплексор
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Развитие интегральной оптики, основанной на волноводном распространении света в тонких пленках, позволило заложить основу создания волноводных оптических спектральных устройств, по своим характеристикам не уступающих объемным аналогам и кроме того, обладающих рядом преимуществ, таких как малые габариты и вес, возможность устранения влияния внешних воздействий на отдельные элементы устройств и их интеграции с другими устройствами на единой подложке.
Особый интерес представляют оптические анализаторы спектра высокого и сверхвысокого разрешения, относящиеся к многолучевым интерференционным спектральным устройствам.
Диспергирующими элементами классических многолучевых спектроанализаторов, т.е. элементами, осуществляющими разложение излучения в спектр, являются призмы, дифракционные решетки (объемные и планарные), эшелон Майкельсона, пластинка Люммера-Герке, интерферометр Фабри-Перо. Общая волноводная теория многолучевых спектроанализаторов, изложенная в работах [1,2], позволяет с единой точки зрения рассмотреть различные анализаторы и их характеристики. Согласно этой теории, принцип работы всех многолучевых спектроанализаторов сводится к следующему: излучение от источника разделяется по системе распределенных в пространстве (дискретно или непрерывно) излучающих элементов, а затем складывается, образуя интерференционную картину.
Наибольшее развитие в настоящее время получили устройства, использующие оптическую схему эшелона Майкельсона и представляющие собой фазовую решетку или волноводную матрицу со сравнительно небольшим числом интерферирующих лучей и большой постоянной разностью фаз между соседними лучами и являющуюся диспергирующим элементом спектрального устройства.
Помимо возможности использования подобных спектральных устройств для целей спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения при мониторинге окружающей среды, медико-биологических исследованиях и сверхточного контроля за параметрами ряда технологических процессов, в последнее время в связи с развитием волоконно-оптических линий связи такие анализаторы спектра оказались весьма перспективными для спектрального уплотнения и разуплотнения каналов связи или устройств мультиплексирования /демультиплексирования, что предопределило их интенсивное развитие в настоящее время. Этому процессу способствовали успехи в технологии, которые позволили хорошо разработанными методами микроэлектроники и интегральной оптики реализовать подобные устройства.
Реализация ВСА
Особую значимость приобретают такие характеристики, как затухание оптических сигналов в процессе прохождения через ВСА, максимальное разрешение, плоскостность амплитудно-частотной характеристики ВСА по разрешенными линиями во всей полосе длин волн (частот) и в пределах отдельного канала, перекрестные помехи, независимость от поляризации и, наконец, стоимость устройства. Эти вопросы непосредственно связаны с материалами, из которых изготавливаются волноводы, с их конструкцией, деталями схемных решений, требуемыми характеристиками устройств для конкретных применений и т. п. Ниже рассматриваются некоторые из этих вопросов. ВСА имеют потери в устройствах, которые включают потери в прямолинейных волноводах, на их изгибах, в звездных объединителях, при стыковке планарных волноводов с канальными волноводами и с волоконными световодами. Объединяя все потери, принято говорить о потерях "на кристалле", т. е. в волноводной схеме, и потерях при передаче волокно-волокно. В последнем случае включаются потери на стыковку входного ВС с планарным волноводом звездного объединителя и потери при вводе излучения из второго звездного объединителя в выходные ВС. Рис. 1.3. Поперечное сечение волноводных каналов решетки. Потери в волноводах и при изгибе канальных волноводов можно свести к минимуму путем выбора соответствующих материалов волноводов, их параметров и достаточно большого радиуса кривизны. Потери при соединении канальных волноводов с планарными волноводами звездных объединителей могут быть значительными. Для их уменьшения предложено использовать рупоры, сужающиеся волноводы, изменение расстояний между выходными концами канальных волноводов и т.п.
Для волноводной системы SiCVSi потери волокно-волокно составили (2,3-2,8) дБ [21-23]. При этом потери на кристалле соответствуют величине 1,7 дБ [21]. Всестороннее изучение потерь в ВСА было проведено с помощью программы, учитывающей распространение излучения в трехмерном пространстве [24,25]. Было изучено влияние различных параметров канальных волноводов, таких как толщина пластины, ширина волновода, высота гребня и т. п., на потери при передаче мощности из канальных волноводов в область звездного объединителя. Область перехода канальных волноводов к звездному объединителю и поперечное сечение канальных волноводов представлены на рис. 1.2 и 1.3. Поля в канальных волноводах, подводящих излучение к области звездного объединителя, могут быть связаны с полем на другой стороне звездного объединителя с помощью преобразования Фурье. Так как все каналы фокусируются в точке на другой стороне звездного объединителя и образуют периодическую матрицу, то нужно только смоделировать поле, исходящее из отдельного канала. Поля, которые образуются в результате возбуждения другими каналами, получаются путем суперпозиции. Процедура вычисления полей состоит в следующем. Рассматривается распространение света от одиночного волноводного канала до конца матрицы. Затем вычисляется перекрытие полей с модами волноведущей пластины, чтобы определить поля, принимаемые с помощью звездного объединителя. После этого производится быстрое преобразование Фурье. В результате получается поле на другом конце звездного соединителя. Изучение потерь показало, что для получения максимального коэффициента передачи через звездный объединитель следует использовать толстые волноводные слои, малую разность показателей преломления волноводного слоя и подложки, короткие гребневые волноводы и большие факторы заполнения (w/a, где w - ширина полоса и а- период полоса). Для ВСА, представленного на рис. 1.3, оптимальные параметры волноводов следующие: толщина волноведущей пластины t=0,5 мкм, высота h и ширина w гребня 4 мкм и 7 мкм соответственно, расстояние между центрами каналов а=9 мкм, относительная разность показателей преломления Дп/п бУ о при пподл=1,4457. При этом потери на кристалле могут быть меньше 0,2 дБ. " Вход/выход WP-їривая Рис. 1.4. Схема фазара, полученная из Р-кривой. Уменьшение потерь при распространении сигналов в значительной степени зависит от правильного выбора формы траекторий оптических каналов. ]
Путь решения проблемы минимизации потерь, предложенный авторами работы [26] и основанный на методе, приведенном в [27], состоит в использовании семейства полиномиальных Р и WP кривых (рис. 1.4). Они обеспечивают соединение заданных начальных и конечных точек кривыми с непрерывно изменяющейся кривизной и оптимизируют
Влияние фазовых и амплитудных ошибок на характеристики ВСА
Влияние фазовых ошибок на характеристики ВСА При расчете оптических характеристик ВСА с помощью формул (2.1,2.2), предполагается точное соблюдение разности оптического хода между всеми соседними элементами матрицы. Однако, в процессе изготовления волноводной матрицы неизбежны флуктуации параметров ее отдельных элементов, таких как длины и эффективные показатели преломления. В результате возникают фазовые ошибки, приводящие к ухудшению характеристик ВСА. Необходимая точность изготовления элементов фазовой матрицы может быть получена из следующих соображений [8]. Изменение длины элемента при постоянном значении коэффициента замедления волновода у на величину A(AL), не должно приводить к изменению направления на главный максимум больше, чем на угол между едва разрешимыми линиями по Рэлею 5ср. Из этого условия получаем выражение для необходимой точности изготовления элементов матрицы A(AL)=X/yN, откуда видно, что чем больше эффективный показатель преломления и число элементов матрицы, тем выше должна быть обеспечена точность длин элементов матрицы. Так, при N=100, А=1,55 мкм и у=1,55 длина каждого элемента матрицы должна быть выполнена с точностью не хуже, чем A(AL)=0,01 мкм. .
Аналогично для постоянного выбранного значения L можно получить требование к точности величины коэффициента замедления волновода Ay=A/ALN, откуда можно сделать вывод, что увеличение AL и N требует большей точности Ау. Более точные соотношения могут быть получены с помощью Фурье преобразования [62]. В случае спектрального уплотнения/разуплотнения важное значение для реализации максимального числа каналов имеют потери в устройствах, которые включают потери в канальных волноводах, состоящие из потерь на прямолинейных участках и на их изгибах, при стыковке канальных волноводов матрицы с планарными фокусирующими элементами, и при стыковке планарных волноводов с канальными волноводами и с входными и выходными волоконными световодами. Результаты оценки вклада каждой составляющей потерь приведены в таблице 2.1 [61]. В таблице приведены значения потерь для В СМ на основе кремния, который содержал две фокусирующие системы типа звездных объединителей, два соединения планарного волновода с волокном при общей длине распространения сигнала 10 см и 8 изгибов волноводов. Потери в волноводах и при изгибе канальных волноводов можно свести к минимуму путем выбора соответствующих материалов волноводов, их параметров и достаточно большого радиуса кривизны, а также использованием высокотехнологических методов при создании волноводных систем. Потери при соединении канальных волноводов с планарными волноводами фокусирующих систем типа звездных объединителей могут быть значительными. Для их уменьшения предложено использовать рупоры, сужающиеся волноводы, оптимизировать расстояния между выходными концами канальных волноводов и т.п. Потери в ВСМ/Д наряду со спектральными характеристики определяют потенциальные возможности ВСМ/Д в достижении большего числа каналов и могут являться препятствием для создания систем плотного и сверхплотного мультиплексирования.
Важнейшим фактором, ограничивающим число каналов ВСМ/Д является уровень перекрестных помех, представляющий разность между максимумами полосы пропускания и уровнем полосы непрозрачности. Уровень перекрестных помех, рассчитанный для идеальной матрицы, содержащей 64 элемента имеет величину -57 дБ (рис. 2.1 [62]). В действительности уровень перекрестных помех превышает эту величину в результате фазовьк и амплитудных ошибок, причиной которых являются флуктуации параметров элементов фазовой решетки, таких как геометрические длины элементов и их эффективные показатели преломления, возникающих как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации ВСМ/Д. При уменьшении спектрального разнесения каналов перекрестные помехи растут, так уровень перекрестных помех для ВСМ/Д со спектральным разнесением каналов 50 ГГц составил величину -30 дБ, а для ВСМ/Д с 10 ГГц разнесением каналов перекрестные помехи достигают уже -15 дБ. Рис. 2.1. Нормированный спектр пропускания для идеальной волноводной матрицы с N=64. Причиной высокого уровня перекрестных помех, как было отмечено выше, являются фазовые и амплитудные ошибки, которые приводят к деформации спектра пропускания и к увеличению перекрестных помех. В большинстве случаев фазовые ошибки являются определяющими и поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их. Расчетная точность составляет доли длины волны и изготовление элементов с такой точностью не представляется возможным. В результате
Дисперсионные свойства планарного ВСА
Рассматриваются дисперсионные характеристики планарного ВСА схема которого представлена на рис. 1.1(a). Выбор параметров волноводной системы при анализе дисперсионного множителя (2.1) проводился из следующих соображений: Yi и 72 являются коэффициентами замедления ступенчатой структуры, где Yi Y2 (Yi соответствует волноводу с большей толщиной). Для волновода, представляющего собой слой из ТагОз на кварцевой подложке, максимальное значение AY составляет 0,5, поскольку максимальное Yi равно 1,96, что видно из дисперсионных характеристик (рис. 3.1), построенных для рассмотренного волновода. Дисперсионный множитель может быть записан в виде: Первый член определяет дисперсию самой ступенчатой структуры ЭМ. Этот член пропорционален разности коэффициентов замедления (эффективных показателей преломления). Ограничением значения Yi служит одномодовый режим работы устройства.
Второй член характеризует волноводную дисперсию и его значение определяется видом дисперсионной характеристики и положением на ней Ті и 72 Если у{ и у2 расположены на линейном участке характеристики (2) второй член не дает вклада в дисперсионный множитель. Если у! и у2 попадают на участок (1), второй член имеет положительное значение и дисперсионный множитель уменьшается на это значение по сравнению с дисперсионными множителем структуры ЭМ. Вариант положения 71 и Уг на участке (3) приводит к отрицательную значению второго члена и дисперсионный множитель увеличивается. Исходя из этих рассуждений, были выбраны параметры волновода удобные для анализа дисперсионного множителя. Был исследован дисперсионный множитель и его члены в зависимости от значений у і и у2, и их расположения на дисперсионной характеристике. В качестве аргумента была выбрана переменная у2 при фиксированном Ау, а затем получено семейство кривых, где параметром служило Ау. Дифференцируя по А, дисперсионное уравнение для трехслойного волновода, получим: Аналитические выражения для ЭДу/Эп; были получены дифференцированием дисперсионного уравнения по П]2,з? для ТЕт: Анализ зависимости был проведен для ВСА на основе волновода, состоящего из пленки Та2С 5 на кварцевой подложке. На основании, проведенных по формулам (3.2-3.5) расчетов для длины волны 0,6328 мкм, были построены графики зависимости дисперсионного множителя (Ь) и вклада в дисперсионный множитель волноводной (В) и материальной (С) дисперсии от у2. Как видно из графиков, член дисперсионного множителя В, характеризующий волноводную дисперсию, имеет как положительные, так и отрицательные значения в соответствии с положением уі и у2 на дисперсионной характеристике (рис. 3.1). Для малых значений у2 В 0 (уі и у2 расположены в области 1 дисперсионной характеристики). При увеличении значений у2 В растет, при у2 1,78 проходит через нулевое значение (в области 2) и становится положительным (область 3). Крутизна кривых растет увеличением Ау. Далее был проанализирован третий член дисперсионного множителя, характеризующий материальную дисперсию материалов волновода (рис. 3.2.6).
Для очень малых значений у2 (вблизи критического режима работы волновода) С имеет положительное значение, далее при увеличении у2 проходит через нулевое значение, уменьшается до минимума в области у2 от 1,6 до 1,8, а затем слабо растет, оставаясь отрицательным. Увеличение Ау приводит к существенному увеличению вклада материальной дисперсии в дисперсионной множитель особенно при у2, соответствующего минимуму С. 0.3 0.2 0.1 -0.1 "1.5 1.62 1.73 1.85 1.97 2.08 2.2 (В) -0.2 Рис. 3.2. Зависимость дисперсионного множителя и вклада волноводной (а) и материальной (б) дисперсий в дисперсионный множитель (в) от эффективного показателя преломления у2 для ступенчатой рельефной структуры, состоящей из пленки ТагСЬ, нанесенной на кварцевую подложку. Таким образом, анализ зависимости дисперсионного множителя от уг и Ау показал, что определяющие его члены В и С, могут принимать как отрицательные, так и положительные значения и величина В+С может превышать значение Ау, определяющего дисперсию самой ступенчатой структуры ЭМ (рис. 3.3). Сравнивая вклад волноводной и материальной дисперсии в дисперсионный множитель, можно отметить, что вклад последней значительно меньше. Однако, при значении у2, соответствующего минимальному значению материальной дисперсии, волноводная дисперсия примерно равна нулю и вблизи этих значений уг вклад материальной дисперсии выше, чем волноводной. Это отражено на рис. 3.3.
Двухкаскадный демультиплексор
Как известно, увеличение объема информации, передаваемой по одиночному волокну связано с числом каналов, которое в свою очередь, определяется спектральным разнесением каналов 5А, и спектральным диапазоном ДА,, потерями в системе и уровнем перекрестных помех. Для того, чтобы обеспечить малые 8А и большие ДА-, как видно из формул (2.1), необходимо использовать малые значения разности длин между соседними элементами волноводной матрицы и большое число этих элементов. Препятствием этому служит ограниченный размер подложки, потери в системе и перекрестные помехи, которые растут с увеличением М и уменьшением дХ. С целью увеличения разрешающей способности демультиплексора, но при этом не уменьшая спектральный интервал, предложена схема двухкаскадного демультиплексора на основе матрицы волоконных световодов, представленная нарис. 4.3 [73,74,75]. II каскад Входной сигнал, содержащий излучение с длинами волн К\...Х , поступает на вход первого каскада демультиплексора, состоящего из волоконной матрицы, имеющей Mi отрезков оптических волокон с постоянной разностью длин между соседними ее элементами ALr и являющейся диспергирующей системой демультиплексора, фокусирующих устройств на входе и выходе волоконной матрицы и выходных световодов. Первый каскад обеспечивает необходимый спектральный интервал ДА,. Затем излучение из выходных волноводов I каскада направляется на II каскад демультиплексора, состоящий из М демультиплексоров, представляющих собой устройства аналогичные первому каскаду, с той лишь разницей, что диспергирующие системы каждого из демультиплексоров второго каскада должны иметь более высокое разрешение, что обеспечивается увеличением AL. Второй каскад обеспечивает необходимое спектральное разрешение ЬХ. Задавая спектральную область дисперсии АХ, число каналов N и параметры фокусирующей системы, можно рассчитать основные параметры демультиплексора, такие как постоянная разность длин между соседними элементами волоконной матрицы, определяющая наряду с числом элементов матрицы М минимальный разрешимый спектральный интервал 5Х по Релею, угловая и линейная дисперсии, минимальное расстояние между выходными каналами 8х и разрешающая способность. При этом излучение из каждого выхода I каскада имеет спектральный диапазон 5Х,Ь а область дисперсии каждого демультиплексора II каскада АХЦ должна перекрывать спектральный диапазон 8Xh т.е. необходимо выполнение условия ДА,п=5А,ь с учетом которого определяется разность длин соседних элементов матриц II каскада ALn. Следует отметить, что длины самого короткого и самого длинного элементов матрицы I каскада равны AL! и Мг ALb а длины самого короткого и самого длинного элементов матриц II каскада АЬц и Мц АЬц. Параметры волоконного М/Д с числом каналов N=104 были рассчитаны для спектрального диапазона 1530-1560 нм.
Таким образом, с соответствии с этим диапазоном область дисперсии АХ волоконной матрицы I каскада полагали равной 26,4 нм (3300 ГГц). Если использовать матрицу I каскада с М=100 элементов, то реализация 104- канального демультиплексора требует наличия во II каскаде также 100 элементов с разнесением по длинам волн 0,26 нм. При расчете параметров демультиплексора мы полагали, что диаметры волоконных световодов сердцевины и оболочки равны 10 и 100 мкм соответственно, а фокусное расстояние линзы f и ее диаметр D составляют 2 и 1 см. Расчетные значения параметров волоконного М/Д для I и II каскадов представлены в таблице 4.5. Расчет дисперсионных характеристик для двухкаскадного мультиплексора проводился по формулам, выведенным в предыдущей главе для ВС А на основе волоконной матрицы, но для каждого каскада в отдельности. Целесообразно рассматривать гибридную схему, в который I каскад осуществляется в планарном волноводном варианте, а II каскад выполняется на основе волоконных световодов. При этом в силу очень малых потерь мощности в оптическом волокне значительная длина элементов матрицы не приведет к ухудшению характеристик демультиплексора. В качестве фокусирующих элементов могут быть использованы либо волноведущие фокусирующие пластины, либо объемные линзы в гибридном варианте. Соединение одномодовых волокон со входами/выходами может быть осуществлено с помощью градиентных линз или специальных волокон с расширяющимися выходами. Кроме того, могут быть использованы технологии, примененные авторами работы [76] для создания модулей волоконных разветвителей. Основные потери мощности [77], возникают при вводе сигнала в волноводную матрицу на соединениях волокно-волновод и волокно-волокно. По оценкам эти потери могут составить 1-5 дБ. Ввод в волоконную матрицу в случае линзовой фокусирующей системы для удобства и уменьшения потерь целесообразно выполнять в виде пучка лотно расположенных волокон, имеющего круглое поперечное сечение.
С этой же целью может быть использована монолитная сферическая стеклянная поверхность, к которой пристыковываются входные волокна, образуя сходящийся волновой фронт, а в фокусе с другой стороны пристыковываются волокна матрицы. Следует также имеет в виду возможность использования отражательного варианта демультиплексора, имеющего вдвое большее разрешение при равных с прозрачным демультиплексором размерах. Основная трудность реализации волоконного М/Д связана с необходимостью обеспечения длин волокон в волоконной матрице с точностью до 0,0 IX,. Такие точности не могут быть достигнуты при изготовлении матрицы. Поэтому необходимо проводить корректировку длины оптического пути уже изготовленной волоконной матрицы с помощью непосредственного воздействия на волокно (нагрев, изгиб и пр.). Расчет, проведенный с использованием методики, описанной в главе II, показал, что изогнутый участок волокна (с указанными выше параметрами) длиной 1-5 см и радиусом изгиба R=5 см обеспечивает изменение длины оптического пути от 0,01 до 0,09 мкм. Таким образом, могут быть достигнуты необходимые изменения длины оптического пути. Предложенный волоконный М/Д не имеет принципиальных ограничений по числу каналов и интервалу между ними. Дальнейшее увеличение спектрального разнесения каналов волоконных М/Д по предложенной схеме, т.е. уменьшение 8Х, может быть продолжено и использовано в оптических линиях связи. При этом минимальная ширина полосы узких каналов будет определяться только температурной стабильностью демультиплексоров и стабильностью частоты источников излучения.