Волоконно-оптические системы передачи городских телефонных сетей

С появлением волоконных световодов (ВС) и интегральной оптики (ИО), основанной на волноводном распространении света в тонких пленках, проблема освоения и использования огромного оптического диапазона в интересах связи приобрела практическое значение. Этому также способствовали успехи в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), планарных оптических волноводов, интегральных полупроводниковых лазеров и других приборов ИО. Толчком к существенному продвижению в решении данной проблемы стало предложение и разработка волноводных спектральных мультиплексоров/ демультиплексоров (ВСМ/Д), позволяющих уплотнять/разуплотнять каналы связи во всем оптическом диапазоне и сравнительно просто выполнять канализацию отдельных "узких" оптических каналов. При этом широкое использование оптических систем волноводного спектрального мультиплексирования/демультиплексирования позволяет не только решать задачи оконечных устройств волоконной связи на дальние расстояния (материк - материк, город - город), но и перейти к решению задач внутригородской связи, вплоть до связи типа дом - дом. Кроме того, достоинством ВСМ/Д является возможность их реализации с помощью известных, хорошо разработанных технологических методов микроэлектроники и интегральной оптики, дающих возможность на одном кристалле объединить оптические и электронные схемы, а также обеспечить соединение с ВС. При этом научная и технологическая база для коммерческого использования ВСМ/Д в основном подготовлена.

2.1.1 Принципиальные схемы и основные характеристики ВСМ/Д

В основе ВСМ/Д лежит известный объемный анализатор спектра типа эшелона Майкельсона, представляющий собой фазовую решетку со сравнительно небольшим числом интерферирующих лучей и большой постоянной разностью фаз между соседними лучами. Его волноводное воплощение получило ряд названий (ВСМ/Д, волноводный спектральный анализатор (ВСА), спектральный мультиплексор на основе матрицы сфазированных волноводов (фазар) и др.). По сути, все названия относятся к одному и тому же устройству.

Основные характеристики ВСМ/Д и ВСА в связи с принципом обратимости хода лучей, практически одинаковы, а вывод формул можно провести по аналогии с выводом для объемного эшелона Майкельсона, с учетом тою, что лучи света распространяются по планарным (канальным) волноводам или волоконным световодам.

Перспективным направлением в развитии ВСМ является объединение дисперсионного и фокусирующего элементов. Впервые такое объединение было предложено и осуществлено путем создания квадратичного фазового распределения на выходе диспергирующей системы, получаемого в результате небольшого изменения длин оптических каналов диспергирующей системы. Фокусировка наблюдалась в планарном волноводе в фокальной плоскости фокусирующей системы. Сейчас описанная схема с незначительными изменениями используется в большинстве работ, посвященных ВСМ/Д. В подобной схеме вход и выход диспергирующей системы связаны с помощью двух звездных соединителей и волноведущих пластин, выполняющих роль фокусирующих элементов. Оптические сигналы на фиксированных длинах волн поступают с волоконного световода на вход одного из звездных соединителей, проходят по планарному волноводу и возбуждают канальные волноводы диспергирующей системы. Последние имеют постоянную разность оптического пути между соседними каналами. Во втором звездном соединителе оптические сигналы разделяются пространственно по длинам волн и фокусируются на торцы выходных ВС. Таким образом, происходит демультиплексирование входных оптических сигналов. При обратном ходе лучей схема работает как мультиплексор.

Следует отметить также метод исключения поляризационной зависимости с помощью осаждения аморфной кварцевой пленки на волновод. Пленка имеет остаточную деформацию и компенсирует волноводное двулучепреломление. Преимущество этого метода состоит в том, что при его использовании избыточные потери вследствие введения пленочной волноводной вставки могут быть уменьшены до 0.4 дБ. Таким образом, предлагаемые методы могут обеспечить практическую реализацию ВСМ/Д с поляризационной независимостью и низкими вводимыми потерями.

2.1.2 Реализация ВСМ/Д

Исходя из перспектив использования ВСМ применительно к связи особую значимость приобретают такие характеристики, как затухание оптических сигналов в процессе прохождения через мультиплексор, максимальное количество каналов, плоскость амплитудно-частотной характеристики мультиплексора по каналам во всей полосе длин волн (частот) мультиплексора и в пределах отдельного канала, перекрестные помехи, независимость от поляризации и, наконец, стоимость устройства. Рассмотрим некоторые варианты реализации ВСМ.

Волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры (ВСМ/Д) на SiO₂. Важное значение для использования мультиплексоров имеют потери в устройствах, которые включают потери в прямолинейных волноводах, на изгибах, в звездных соединителях, при стыковке планарных волноводов с канальными волноводами и с волоконными световодами. Объединяя все потери, принято иметь в виду потери "на кристалле", т.е. в волноводной схеме, и потери при передаче волокно-волокно. В последнем случае включаются потери на стыковку входного ВС с планарным волноводом звездного соединителя и потери при вводе излучения из второго звездного соединителя в выходные ВС.

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 соединителей могут быть значительными. Для их уменьшения предложено использовать рупоры, сужающиеся волноводы, изменять расстояния между выходными концами канальных волноводов и т. п. Для волноводной системы SiO₂/Si потери при передаче волокно - волокно составили 2,3 ... 2,8 дБ. При этом потери на кристалле соответствуют 1,7 дБ.

Систематическое изучение потерь в ВСМ было проведено с помощью программы, учитывающей распространение излучения в трехмерном пространстве. В частности, было изучено влияние различных параметров канальных волноводов (толщина пластины, ширина волновода, высота гребня и др.) на потери при передаче мощности из канальных волноводов в область звездного соединителя.

Поля в этих волноводах могут быть связаны с полем на другой стороне звездного соединителя с помощью преобразования Фурье. Поскольку все каналы фокусируются в точке на другой стороне звездного соединителя и поскольку каналы образуют периодическую матрицу, нужно только смоделировать поле, исходящее из отдельного канала. Поля, которые образуются в результате возбуждения другими каналами, получаются путем суперпозиции. При вычислении полей 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 соединителя, и 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 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), 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 n/n = 0,67 % при n_подл = 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 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 469

Разность показателей преломления 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 структуры. 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 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.2.1 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.2.1.

Рис.2.1

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.2.2).

Рис.2.2

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.

Для построения оптических сетей с ВСМ/Д перспективно использовать источники излучения, которые генерируют одновременно ряд частот со стабильными строго контролируемыми спектральными интервалами между ними. Такими источниками являются многочастотные лазеры (МЧЛ), представляющие собой усилители со сколотыми зеркальными гранями и вместе с одиночным выходным портом образующие оптический резонатор. 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. 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 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.

Интеграция ВСМ и фотоприемников. Четырехканальный демультиплексор с малыми потерями был монолитно интегрирован с фотодетекторами. Демультиплексор состоял из диспергирующей волноводной системы, соединенной с планарными фокусирующими областями.

В устройстве использовались гребневые волноводы с поперечной разностью показателей преломления 0,037 и n_эфф=3,29 (для ТЕ-поляризации). Ширина и высота гребня составляли соответственно 2 и 0,35 мкм. Свет из выходных волноводов поступал на фотодетекторы с помощью устройства связи, использующего проникающее поле. Для увеличения поглощения в фотодетекторе слоистая структура была оптимизирована. Эта структура выращивалась на подложке из n⁺InP методом MOVPE и имела нелегированный буферный слой InP толщиной 1,5 мкм, нелегированный волноводный слой InGaAs (2=1,3 мкм) - толщиной 0,6 мкм, нелегированный верхний обрамляющий слой волновода - 0,3 мкм, поглощающий слой n-InGaAs (1 х 10¹⁷ см ^-3) - 0,27 мкм, слой p-InP (1 х 10¹⁸ см^-3) - 0.5 мкм и неволноводный контактный слой р-InGaAs (2x 10¹⁸ см ^-3) - 0,1 мкм. Размеры фотодетектора - 150 х 80 мкм². Внутренний квантовый выход был лучше 90 %. Вне фотодетектора выращивалась слоистая структура, содержащая тонкие волноводные слои.

Измерение характеристик демультиплексора проводилось с помощью перестраиваемого лазерного источника. Измеренный интервал между каналами составил 1,8 нм. Полная ширина полосы канала по уровню 0.5 была равна 0,7 нм. Демультиплексор, монолитно интегрированный с фотодетекторами имел потери для ТЕ-поляризации 3-4 дБ, для ТМ-поляризации на 0,5 дБ больше. Внешняя чувствительность фотодетектора составляла 0,12 А/Вт. Полные внешние потери, включая потери на связь фотодетектора с волноводом, составляли 10 дБ, перекрестные помехи - 12 ... 21 дБ. Устройство, включая фотодетекторы и входные полосковые волноводы, имело размеры 3,0 х 2,3 мм².

2.1.4 Оптические мультиплексоры с добавлением и отводом каналов

Оптический мультиплексор с добавлением и отводом каналов (МД/О) является устройством, предоставляющим одновременный доступ ко всем каналам на соответствующих длинах волн в системах связи с ВСМ/Д. В англоязычной литературе используется терминология Add/ Drop Multiplexer (A/DM). На рис. 2.3 приведена конфигурация такого волноводного 16-ти канального оптического мультиплексора. Его устройство состоит из четырех ВСМ/Д и 16-ти двухпозиционных термооптических (ТО) переключателей.

Рис. 2.3

Четыре ВСМ/Д с одинаковыми параметрами расположены в месте пересечения их планарных фокальных областей. В диапазоне 1.55 мкм спектральные интервалы между каналами и область дисперсии составляли 100 и 3300 ГГц (26,4 нм) соответственно. Сигналы, поступающие с мультиплексора с равными спектральными интервалами между ними, поступают на главные входные порты (добавленные порты). Разделившиеся с помощью ВСМ/Д1 (ВСМ/Д2) 16 сигналов вводятся в левые плечи (правые плечи) ТО переключателей. Любой оптический сигнал, введенный в двухпозиционный ТО переключатель, проходит через кросс-порт одного из четырех итерферометров Маха-Цендера, прежде чем достичь выходного порта. С другой стороны, любой сигнал с определенной длиной волны может быть удален из главного выходного порта и приведен к отводящему порту после изменения соответствующего условия в переключателе. Сигнал с той же самой длиной волны, что и отведенный, может быть добавлен в главный выходной порт, если будет поступать на добавленный порт (рис. 12). Например, если ТО переключатели SW₂, SW₄, SW₆, SW₇, SW₉,SW₁₂, SW₁₃ и SW₁₅ находятся в положении "Вкл.", выделенные сигналы выводятся из главного выходного порта (сплошная линия) и присоединяются к отводящему порту (пунктирная линия), как показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4

Перекрестные помехи для положений "Вкл. - Выкл." оказались меньше 28,4 дБ при потерях на кристалл 8...10 дБ. Как видим, МД/О весьма привлекательны для всех систем связи с ВСМ/Д и позволяют оптической сети быть прозрачной для сигналов с большими битовыми скоростями и форматами.

Перспективы широкого практического применения МД/О привлекли исследователей к разработке средств проектирования сложных фотонных интегральных цепей. Для четырехканального МД/О был предложен метод инициирования проекта на символическом уровне, а также моделирование (начиная с этого уровня) и создание маски макета. Использованная система автоматического проектирования базировалась на известной специализированной системе проектирования для СВЧ-диапазона.

Моделирование фазара выполнялось в два этапа: сначала создавалась геометрия фазара с желаемой спецификацией, в которую включалось определенное число входных и выходных портов, центральная длина волны и спектральный интервал между каналами, затем моделировалось распространение волн через фазар.

Проект геометрии фазара имел два звездных соединителя, связанных матрицей прямолинейных и изогнутых волноводов. Фазар с N входными и М выходными волноводами описан с помощью (N +M) х (N + M) S-матрицы. Элементы матрицы S_iJ вычислялись следующим образом. Сначала определялось поле, излучаемое из порта i, и коэффициенты связи с каждым волноводом матрицы. Затем вычислялось распространение волн в каждом волноводе с учетом потерь на переходах и излучение в изогнутых волноводах. Наконец, с помощью того же метода, что и для входных портов, определялись коэффициенты связи между каждым волноводом матрицы и выходным волноводом j.

Пример символического представления матрицы фазара 6 х 6 вместе с маской схемы показан на рис. 2.5.

Рис. 2.5

На следующей стадии проектировалась модель МД/О, состоящего из фазара 6 х 6 и обратных волноводных петель. В траектории петель включены переключатели типа интерферометров Маха-Цандера, которые открывают и закрывают петли. Символическое представление МД/О приведено на рис 2.6.

Рис. 2.6

Четырехканальный МД/О с конструкцией, идентичной рассчитанному проекту, был реализован на основе InP. Сравнение результатов моделирования и измерений показало сдвиг максимума полосы пропускания отдельного канала на 9 нм. Главным образом это было следствием различия между спроектированной и изготовленной волноводными структурами. Потери составили 7 … 9 дБ, остаточный сигнал в полосе соседнего сигнала оказался примерно па 30 дБ ниже исходного сигнала. Эти значения находятся в хорошем согласии с рассчитанными.

Волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры являются ключом к решению проблемы использования всей чрезвычайно широкой полосы пропускания волоконных световодов. Наибольшее развитие получили ВСМ/Д, выполненные на основе SiО₂/Si и на InP. Первые обладают меньшими потерями на кристалл, в то время как полупроводниковые пассивные оптические интегральные схемы могут быть непосредственно интегрированы с источниками излучения, усилителями, фотодетекторами и др. При этом на одной подложке могут быть объединены оптические и электронные компоненты. Изготовление оптических волноводных спектральных мультиплексоров выполняется методами стандартной (высококачественной) литографии. Соединение оптических планарных интегральных цепей с волоконными световодами достаточно разработаны и не вносят существенных потерь. Размеры приборов (без корпусов) не превышают 1 - 2 см. Такие характеристики предвещают быстрое развитие производства дешевых, коммерчески приемлемых приборов нового поколения не только для дальней связи, но и для местной широкополосной связи типа дом - дом.

3. Применение оптических циркуляторов в волоконно-оптических системах передачи

В настоящее время известно несколько схем построения О. ГП "Дальняя связь" разработана и выпускается модифицированная схема ОЦ со специальной призмой, имеющей щель.

Рис.3.2

Структура устройства и положение поляризационных компонентов показаны на рис. 3.2, где 1, 2, 3 - волоконные коллиматоры; 4 - специальная поворотная призма со щелью; 5, 7, 8, 9 - двулучепреломляющие элементы из кристалла рутила; 6 - 45-градусный фарадеевский вращатель из кристалла иттрий-железного граната. Принцип работы ОЦ заключается в следующем.

Прямой канал 1-2 фактически является одноступенчатым изолятором, работающим в прямом направлении. Поступающее в ОЦ через порт 1 оптическое излучение с произвольной поляризацией коллимируется линзой 1 и попадает на первый двулучепреломляющий элемент 5 из кристалла рутила. При прохождении через этот элемент входной пучок разделяется на два луча с ортогональной поляризацией - обыкновенный (о-луч) и необыкновенный (е-луч), при этом е-луч отклонятся от первоначального направления и на выходе элемента оказывается смещенным относительно о-луча (позиция "С" на рис. 3.2.б). Далее эти лучи проходят через фарадеевский вращатель поляризации 6, выполненный на основе кристалла иттрий-железного граната. Здесь плоскости поляризации обоих лучей поворачиваются на 45° (позиция "В" на рис.3.2). Затем лучи проходят через второй 7 и третий 8 двулучепреломляющие элементы, где также происходит отклонение лучей.

Поскольку длина и ориентация второго и третьего рутиловых элементов относительно первого выбраны соответствующим образом, два ортогональных поляризованных луча объединяются в один луч (позиция "А" рис.3.2.б), который выходит из ОЦ через порт 2. Таким образом, оптический сигнал с произвольной поляризацией передается из порта 1 в порт 2 с малыми потерями. И поскольку входной сигнал поступает из порта 1 через щель в призме, то порт 3 оказывается полностью "развязанным" от порта 1.

При работе в обратном направлении, когда входной сигнал поступает в порт 2, он проходит те же функциональные элементы, но в обратном направлении. Однако в результате невзаимного поворота плоскости поляризации в фарадеевском вращателе 6 два луча, распространяющиеся в обратном направлении, будут поляризованы ортогонально по сравнению с прямым направлением (позиция "С" рис.3.2.б). Поэтому после прохождения через первый рутиловый элемент 5 эти лучи не сходятся в один, а расходятся на удвоенное расстояние (позиция "D" рис.3.2.б) и не попадают в порт 1 через щель в призме. Следовательно, в этом случае имеет место изоляция порта 1 от порта 2, как в обычном оптическом изоляторе. Пучки, симметрично смещенные относительно щели, отклоняются призмой под углом 90° и направляются в отраженный канал (порт 3), где установлен двулучепреломляющий рутиловый элемент 9. Длина и ориентация этого элемента выбраны таким образом, чтобы поступающие лучи объединились в один луч, выходящий через порт 3. Таким образом, оптический сигнал передается из порта 2 в порт 3 при изоляции порта 1.

3.1.1 Характеристики оптических циркуляторов

4.1 Виды модуляции оптических колебаний