18152

Интегральные оптические схемы (ИОС) первого уровня интеграции

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лекция 19. Интегральные оптические схемы ИОС первого уровня интеграции К этому классу относятся ИОС способные выполнять оптические магнитооптические электрооптические и некоторые другие функции. Конструктивно ИОС состоят из нескольких структурных элементов.

Русский

2013-07-06

220.84 KB

21 чел.

Лекция 19.

Интегральные оптические схемы (ИОС) первого уровня интеграции

К этому классу относятся ИОС способные выполнять оптические, магнитооптические, электрооптические и некоторые другие функции.

Конструктивно ИОС состоят из нескольких структурных элементов.

Классификация ИОС первого уровня интеграции следующая:

  1.  модуляторы:
  2.  фазовые;
  3.  амплитудные;
  4.  поляризационные.
  5.  переключатели каналов:
  6.  на базе электрооптического эффекта;
  7.  на базе акустооптического эффекта.
  8.  направленные ответвители:
  9.  неуправляемые;
  10.  управляемые (за счет использования для управления электрооптического и акустооптического эффектов).
  11.  разветвители:
  12.  неуправляемые;
  13.  управляемые.
  14.  интегральные источники излучения:
  15.  некогерентные: светоизлучающие диоды (СИД) и люминесцентные светодиоды (СЛД);
  16.  когерентные: лазеры.
  17.  приемники излучения:
  18.  фотодиоды;
  19.  фототранзистор.
  20.  дефлекторы:
  21.  электрооптические;
  22.  поляризационные.
  23.  фильтры:
  24.  спектральные;
  25.  поляризационные.
  26.  конвекторы (преобразователи мод):
  27.  поляризационные;
  28.  модовые.
  29.  оптические транзисторы;
  30.  атенюатор;
  31.  ячейки памяти;
  32.  источники – приемники излучения.

Классификация ИОС первого уровня интеграции приведена на рис.19.1.

Рис.19.1.Классификация ИОС первого уровня интеграции

Наиболее широкий класс ИОС первого уровня интеграции являются модуляторы. Необходимость их разработки связана с тем, что при непосредственной модуляции излучения питающим током граничная частота модуляции составляет несколько ГГц. Модуляторы позволяют увеличить частоту модуляции более чем на порядок.

Основные типы модуляторов следующие:

  1.  амплитудные (электрооптические, магнитооптические, акустооптические, термооптические, электропоглощающие)
  2.  фазовые (электрооптические, магнитооптические, акустооптические)
  3.  поляризационные (электрооптические, магнитооптические, акустооптические).

Для изготовления модуляторов используют следующие материалы:

- полупроводники InP, GaAs;

- полупроводниковые гетероструктуры AlGaAs/GaP;

- сегнетоэлектрики LiNbO3 , LiTa O3.

Частота модуляции  модуляторов с сосредоточенными параметрами 18 ГГц. В  модуляторах бегущей волны – 100 ГГц. Особенность модуляторов  является управление низкими напряжениями.

Схема фазового модулятора с управлением бегущей волной показана на рис.19.2.


Рис.19.2. Схема фазового модулятора с управлением бегущей волной

Изменение показателя преломления под действием управляющего напряжения определяется соотношением:

    (19.1)

где

r – электрооптический коэффициент;

Е – напряженность электрического поля.

В амплитудных модуляторах модуляция может быть получена за счет:

  1.  изменения фазы излучения при его прохождении через поляризатор;
  2.  отвода энергии из волновода или ее поглощение;
  3.  изменения фазы в двух потоках излучения, формируемых в интерферометрической схеме.

Пример схемы амплитудного модулятора, основанного на последнем принципе и использующий интерферометр Маха – Цендера ( рис.19.3)

Рис.19.3. Схема амплитудного модулятора с использованием

интерферометра Маха-Цендера:

Управляющее напряжение 2 – 8 В;  управляющая мощность 13 – 50 мВт.

Модуляторы дифракционного типа

В таких модуляторах применяют акустооптические или электрооптические эффекты, под воздействием которых в волноводе создается периодическая решетка с переменным показателем преломления.

Наилучшим материалом для создания такого модулятора является LiNbO3.

Схема модулятора показана на рисунке 19.4.

Рис.19.4. Схема модулятора дифракционного типа

Поляризационные модуляторы

В таких модуляторах  под  действием электрического поля вращается плоскость поляризации. Схема модулятора приведена на рисунке 19.5.

Рис.19.5. Схема поляризационного модулятора

Источники излучения

Для интегральной оптики источники излучения должны обладать рядом особенностей:

  1.  технологичность,
  2.  способность согласования с другими элементам интегральной схемы;
  3.  одномодовый режим роботы,
  4.  высокое быстродействие.

В настоящее время применяют три типа интегральных источников излучения:

  1.  полосковые с резонатором Фабри-Перо;
  2.  динамические одномодовые лазерные диоды:
  3.  с распределенным Брегговским отражением (РБО);
  4.  с распределенной обратной связью (РОС).

Схема этих источников излучения показана на рисунке 19.6.

Рис.19.6. Динамические одномодовые лазерные диоды

  1.  полосковые лазерные диоды с непрямолинейным резонатором, в том числе с полуволновым и четвертьволновыми  резонаторами.

На рисунке 19.7 показана схема полуволнового резонатора.

Рис.19.7.  Полуволновой резонатор

Преимущества излучателей с непрямолинейным резонатором:

  1.  улучшенная характеристика «выходная мощность – ток накачки»;
  2.  большая стабильность излучения, чем в лазерах с прямолинейным резонатором.

Интегральные фотоприемники

Основные типы интегральных фотоприемников:

  1.  лавинные фотодиоды (ЛФД);
  2.  p-i-n фотодиоды.

Постоянная времени фотоприемников: 10 -100 пс., полоса пропускания: 1010 - 1011 Гц.

Особенностью фотоприемников ИОС является ограничение их апертуры волноводом и то, что они образуют единую интегральную структуру с другими элементами с использованием вертикальной топологии.

Типичная схема интегрального фотоприемника показана на рис. 19.8.

Рис.19.8. Схема интегрального фотоприемника