Классификация и применение интегрально-оптических систем

Интегральная оптика зародилась в начале 70-х годов ХХ века на стыке современной оптики и квантовой электроники. Она изучает процессы генерации, распространения и преобразования оптического излучения в очень тонких прозрачных пленках (слоях) - пленочных волноводах и базируется на достижениях современной оптики и квантовой электроники, техники СВЧ, полупроводниковой электроники, физики кристаллов, а также технологии полупроводниковых приборов и интегральных электронных микросхем.

Интегрально-оптические системы содержат тонкопленочные генераторы излучения, пленочные волноводы, модуляторы, дефлекторы, направленные ответвители, фотодетекторы и другие элементы, выполненные на базе одного технологического процесса и на общей подложке.

Основу структуры представляет плоский диэлектрический волновод. Волноводные структуры могут быть сформированы на поверхности или в объеме диэлектрической подложки технологическими методами, близкими к методам создания электронных интегральных микросхем. Размещая на той же подложке источник и приемник излучения, и элементы, предназначенные для преобразования оптического излучения (модуляторы, дефлекторы, смесители, фильтры и другие), можно создавать малогабаритные интегрально-оптические устройства с повышенной надежностью, малой потребляемой мощностью и низкими управляющими напряжениями, способные выполнять разнообразные функции.

Рассмотрение общих принципов оптической волноводной обработки информации и методов построения ОИС для информационной техники тесно связано с классификацией ОИС и выбором для них базовых волноводных элементов и материалов. Оптические интегральные схемы можно классифицировать по различным признакам: по принципам построения, назначению, типу применяемых материалов и т. д. С практической точки зрения наиболее существенное различие ОИС связано с возможностью или необходимостью их стыковки с волоконными световодами.

В зависимости от типа соединений можно выделить три основных вида ОИС:

· требующие стыковки с волоконными световодами на входе и выходе;

· требующие стыковки с волоконными световодами только на выходе;

· не требующие стыковки с волоконными световодами.

Оптические интегральные схемы второго и третьего видов на входе стыкуются либо с излучателем (обычно полупроводниковым лазерным диодом), либо с другой ОИС, а ОИС третьего вида на выходе стыкуются либо с фотоприемниками, либо с другой ОИС.

С точки зрения функционального назначения можно выделить три основных класса ОИС для обработки информации:

· аналоговые ОИС для обработки сигналов;

· цифровые и логические ОИС для вычислительной техники;

· коммутирующие ОИС.

Примерами ОИС первого класса могут служить интегрально-оптические спектроанализаторы высокочастотных сигналов, корреляторы, конвольверы аналоговых и цифровых сигналов, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). К ОИС второго класса следует отнести арифметические и логические ОИС, мультистабильные ОИС и некоторые другие. Перечисленные ОИС по типу входных и выходных соединений относятся, как правило, к третьему виду. Наиболее разработанными в настоящее время являются коммутирующие ОИС, такие, как многоканальные переключатели и матричные коммутаторы, которые в силу своей универсальности могут быть выполнены, как ОИС всех трех видов. Оправданность предложенной классификации ОИС для обработки информации будет ясна из дальнейшего рассмотрения примеров конкретной реализации различных ОИС.

Интегрально-оптические устройства используются:

· в волоконно-оптических системах связи для пространственно-временного преобразования оптических сигналов, их частотной селекции, а также для «уплотнения» сигналов в оптических каналах;

· в системах обработки и хранения оптической информации (интегрально-оптические анализаторы спектра, корреляторы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи);

· в качестве датчиков физических величин: температуры, давления, напряженности электрического поля и др.

Основой любого интегрально-оптического устройства являются оптические интегральные микросхемы (ОИС). Имеется два основных типа оптических интегральных микросхем.

К первому типу относятся монолитные схемы, в которых все элементы выполнены из одного материала. Так как подавляющее большинство оптических интегральных схем требует источников света и приемников, которые могут быть изготовлены только из активных материалов, монолитные интегральные схемы выполняются на основе активных материалов, например полупроводников.

Ко второму типу относятся гибридные схемы, в которых два или несколько видов материала каким-либо технологическим способом объединяются для оптимизации характеристик оптических элементов, входящих в состав оптической интегральной схемы.

Гибридные схемы обладают более широким спектром выполняемых операций, но из-за тепловых деформаций и вибраций возможно рассогласование элементов и даже отказы схемы. Вследствие этого по мере развития технологии доля используемых монолитных оптических интегральных схем возрастает.

В настоящее время разработаны практически все элементы, необходимые для создания интегрально-оптических схем: планарные волноводы с малыми потерями, элементы связи для ввода света в волновод и вывода из него, пленочные переключатели, ответвители, модуляторы, источники света и фотодетекторы, а также линзы, призмы, отражатели, поляризаторы и другие оптические элементы в тонкопленочном исполнении.