Принципы и методы оптической волноводной обработки сигналов

При использовании волноводных методов оптической обработки информации обеспечиваются наибольшая ширина полосы спектра обрабатываемых сигналов (≈ 10 ГГц, что примерно на порядок превышает значения, полученные другими методами), а также максимальное значение произведения ширины полосы Δf на длительность сигнала τ (примерно 10⁶). Основное преимущество оптических методов заключается в том, что операции обработки сигналов (умножение, суммирование, интегрирование и т. п.) выполняются за время, пренебрежимо малое по сравнению с временем поступления данных, т. е. в реальном масштабе времени.

В соответствии с предложенной классификацией ОИС для обработки информации по функциональному признаку основные принципы оптической волноводной обработки информационных сигналов и данных опираются на аналоговые и цифровые методы управления и обработки оптических и электрических сигналов. Аналоговые оптические методы обработки применяются для создания аналоговых ОИС для обработки сигналов и данных с помощью ПАВ (поверхностной акустической волны) и электрооптически управляемых элементов. Такие аналоговые ОИС могут работать с данными, представленными как в аналоговой, так и цифровой форме. В цифровых оптических методах используются оптические бистабильность и мультистабильность, обусловленные нелинейными свойствами отдельных элементов, и они наиболее перспективны для построения полностью оптических (оптически управляемых) логических и цифровых ОИС. Наряду с этим при построении оптических логических элементов и логических ОИС находят применение и аналоговые методы управления оптическими сигналами.

В настоящее время разработаны оптические волноводные процессороы для обработки сигналов (ОИС для обработки сигналов) и оптические волноводные процессоры для цифровой оптической обработки данных (логические и цифровые ОИС). В них используются интегральные операции Фурье-преобразования в планарных волноводах. На их основе построены различные интегрально-оптические спектроанализаторы, корреляторы и конвольверы высокочастотных сигналов; электрооптические аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов; разнообразные логические и цифровые ОИС, основанные на нелинейных свойствах как материала самого волновода (внутренняя нелинейность), так и внешней обратной связи.

В оптически управляемых ИО-устройствах и ОИС используется нелинейная зависимость показателя преломления или поглощения материала волновода от поля световой волны, обусловленная главным образом нелинейной восприимчивостью третьего порядка. Наиболее пригодны для этих целей волноводы на основе полупроводниковых соединений А^IIIВ^V, в частности GаАs. Что касается методов построения коммутирующих ОИС, то самым перспективным является волноводное переключение и коммутация с помощью электрооптически управляемых направленных ответвителей на основе связанных канальных или полосковых волноводов, хотя практический интерес представляют и другие типы волноводных коммутационных элементов.

При разработке и создании ОИС для обработки информации основными проблемами являются выбор материалов для волноводов и ОИС в целом и базовых волноводных элементов, на основе которых могут быть построены различные функциональные ОИС. Для построения волноводного тракта ОИС применяются различные типы трехмерных (канальных и полосковых) волноводов. Выбор того или иного типа волновода определяется конструктивно-технологическими и схемотехническими особенностями построения конкретных ОИС с учетом свойств самих волноводов. Основными базовыми волноводными элементами ОИС могут служить волноводные переключатели на основе электрооптически управляемых направленных ответвителей, пересекающихся или разветвляющихся волноводов, электрооптически управляемые волноводные интерферометры (модуляторы) типа Маха - Цандлера, волноводные Y-образные разветвители и соединители, а также пассивные волноводные фокусирующие и дифракционные элементы. Наряду с перечисленными другими необходимыми активными элементами ОИС для обработки информации являются источники излучения (полупроводниковые лазерные диоды) и фотоприемники, электро- и акустооптически управляемые дифракционные элементы, предназначенные для модуляции и отклонения оптических пучков в планарных волноводах с помощью электрооптического эффекта либо ПАВ. Базовые волноводные элементы, как правило, четырехполюсные, хорошо стыкуются между собой и с другими оптическими элементами и допускают большую гибкость в реализации сложных ОИС на общей подложке в гибридном или монолитном исполнении.

Оптические волноводы

Базовые элементы интегральной оптики - волноводные структуры. Оптические волноводы представляют собой тонкие диэлектрические слои с малыми потерями на рабочих длинах волн. Размеры слоев сравнимы с длиной волны света, поэтому точность их изготовления должна быть очень высокой. Обычно толщина оптических волноводов лежит в пределах 0,3...3,0 мкм, а их ширина составляет 1...5 мкм.

В интегральной оптике используется два типа волноводов: планарные и трехмерные.

Планарный волновод

Планарный волновод (рис. 4.1, а) представляет собой пленку с показателем преломления п₂, заключенную между двумя слоями из материалов с меньшими значениями показателя преломления п₁и п₃. В зависимости от характера изменения показателя преломления планарные волноводы бывают ступенчатыми (рис. 4.1, б) и градиентными - с плавным изменением показателя преломления (рис. 4.1, в).

В планарных волноводах сечение светового канала в одном измерении имеет размер, сравнимый с длиной волны света λ, а в другом - много больше λ. Это затрудняет согласование волноводов с другими элементами интегрально-оптической схемы.

Трехмерные волноводы

Более широкое применение нашли трехмерные волноводы, сечение световых каналов в которых соизмеримо с длиной волны. Трехмерные волноводы подразделяются на канальные и полосковые. На рис. 4.2 заштрихованы сечения световых каналов в канальных волноводах различного типа.

Полосковый волновод представляет собой планарный, на поверхность которого нанесена узкая металлическая полоска. В таких структурах излучение распространяется в основном в области под полоской, не проникая в нее.