Оптоволоконные линии связи (стр. 5 из 21)
Разность показателей преломления 1,5 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
| Параметры | Экспериментальные и теоретические* результаты | |||
| Центральная длина волны l0 (заданная величина ), мкм | 1,5476 (1,548) | 1,5521 (1,552) | 1,5498 (1,550) | 1,5496 (1,550) |
| Спектральное разделение каналов Dl, нм | 15 | 2 | 0,8 (100 гГц) | 0,4 (50 гГц) |
| Число каналов | 8 | 16 | 32 | 64 |
| Разность длины пути DL, мкм | 12,8 | 50,3 | 63 | 63 |
| Фокус звездного соединителя f, мм | 2.38 | 5,68 | 11,35 | 24.2 |
| Порядок дифракции m | 12 | 47 | 59 | 59 |
| Число каналов диспергирующей системы | 30 | 60 | 100 | 160 |
| Потери на кристалле при l0, дБ | 2,4 | 2,3 | 2,1 | 3,1 |
| Ширина полосы на уровне 3 дБ | 6,3 нм (6,3 нм) | 0,74 нм (0,75 нм) | 40 ГГц (37 ГГц) | 19 ГГц (21 ГГц) |
| Перекрестные помехи, дБ | <-28 | <-29 | <-28 | <-27 |
| * Теоретические результаты даны в скобках . | ||||
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
Рис.2.7структуры, показанной на рис.2.6. 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 l1, ... ln. 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.2.8Изготовление 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.