Оптоволоконные линии связи (стр. 4 из 21)

Схемы, приведенные на рис. 1. могут быть выполнены и гибридном или волноводном варианте. В первом случае ввод оптических сигналов (l₁, ... l_n) в несущий волновод и далее в диспергирующую систему осуществляется с помощью линзы и призмы связи или непосредственно от ВС с помощью волноводной линзы. На выходе диспергирующей системы в фокальной плоскости выходной линзы наблюдается спектр принимаемых сигналов. На основе теоретических исследований были изготовлены соответствующие макеты с заданными расчетными параметрами и получены согласующиеся результаты. В частности, на волоконном спектроанализаторе (рис.2.1.в) с разрешением 10⁶ было продемонстрировано разрешение продольных мод He-Ne лазера, отстоящих друг от друга на 0,08А.

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 (рис. 2.2). Оптические сигналы на фиксированных

рис2.2

длинах волн (l₁, ... l_n) 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 (l₁, ... l_n) и фокусируются на торцы выходных ВС. Таким образом, происходит демультиплексирование входных оптических сигналов. При обратном ходе лучей схема работает как мультиплексор.

В приведенных выше схемах предполагалось использование одномодовых волноводов и, соответственно, одномодового режима работы, для которого выполняется условие фазового согласования при длине волны l=Dgh/K (или l=Dg₁h/K для канальных волноводов). Так как эффективные показатели преломления для ТЕ и ТМ мод в волноводах различаются из-за обычно имеющего место двулучепреломления, то условие фазового согласования для них также будет различаться. Для компенсации различия эффективных показателей преломления был предложен ряд методов. Наиболее обещающим для ВСМ/Д представляется метод полуволновой пластинки, которая вставляется в канавку в середине волноводной матрицы (см. рис.2.2). Чтобы изменить направление поляризации от ТЕ к ТМ моде и наоборот, ее главная ось устанавливается под углом 45° к поверхности волновода. Длины волн падающих ТЕ и ТМ мод будут скорректированы в соответствии с равенствами:

l=g_TEDL/2+g_TMDL/2/K -

- для падающей ТE моды,

l=g_TMDL/2+g_TEDL/2/K -

- для падающей ТM моды,

где g_TE и g_TM - эффективные показатели преломления волноводов для ТЕ и ТМ мод соответственно. Как видим, зависимость от поляризации полностью компенсируется с помощью этого метода. Данный метод отличается тем, что для исключения зависимости от поляризации нет необходимости в уменьшении двулучепреломления волноводов. В случае ВСМ/Д на основе волноводов из SiO₂/Si используется кварцевая пластина, так как ее показатель преломления близок к показателям преломления волноводов.

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 (см. рис. 2.2).

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. Область перехода канальных волноводов к звездному соединителю и их поперечное сечение показаны на рис. 2.3, 2.4.

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), показанного на рис. 2.4 и 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 Dn/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 (рис.2.5),

рис2.5

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 1,469