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 __n. 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.2.7 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.2.8.

Рис.2.8

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.2.9).

Рис.2.9

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.

Д ля 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),

Рис. 2.10

представляющие со­бой усилители со сколотыми зеркальны­ми гранями и вместе с одиночным выходным портом образующие опти­ческий резонатор (рис. 2.10). 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 _t. 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 _t 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 (рис. 2.11).

Рис. 2.11

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.