Оптоволоконные линии связи (стр. 6 из 21)

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.

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),

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 l_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 l_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.

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. 2.12 приведена конфигурация такого волноводного 16-ти канального оптического мультиплексора. Его устройство состоит из четырех ВСМ/Д и 16-ти двухпозиционных термооптических (ТО) переключателей.

Рис. 2.12

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 (l₁, l₂, ... l₁₆) 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 l2, l4, l6, l7, l9, l12, l13 и l15 выводятся из главного выходного порта (сплошная линия) и присоединяются к отводящему порту (пунктирная линия), как показано на рис. 2.13.

Рис. 2.13

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.