Схем. Характеристики интегрально-оптических

Примеры интегрально-оптических схем

Многие из монолитных интегрально-оптических устройств имеют эксплуатационные характеристики, сравнимые или даже лучшие по сравнению с аналогами на основе дискретных эле-

ментов. Достигнутый относительно невысокий уровень интеграции, по-видимому, связан скорее с инерцией разработчиков, чем с принципиальными техническими ограничениями. Некоторые специалисты предпочитали разрабатывать лазеры на гетеропереходах, в то время как другие свое внимание сосредоточивали на волноводах или детекторах. Подобная специализация была выгодна на ранней стадии развития этой области, поскольку приводила к изобретению и разработке сравнительно сложных элементов, входящих в состав ОИС различного назначения. Такие приборы, как лазеры на гетеропереходах с распределенной обратной связью, акустооптические волноводные модуляторы и переключаемые электронооптические направленные ответвители, являются примерами надлежащим образом проработанной технологии. Это должно привести к разработке нескольких базовых монолитных ОИС, объединяющих лазеры, модуляторы или переключатели, а также детекторы. Такая тенденция, без сомнения, будет продолжаться и в дальнейшем должна привести к значительно большей интеграции. Примеры существующих ОИС приведены на рисунках 2 - 7.

Рисунок 2 – Монолитные приемная и передающая ОИС для оптической связи: 1 - подложка передатчика; 2 - излучатели с распределенной обратной связью; 3 - пассивные направленные ответвители; 4 - элемент связи пленка - оптическое волокно; 5 подложка чип приемника; 6 - элемент связи оптическое волокно - пленка; 7 - селективные частотные фильтры; 8 — местные излучатели с распределенной обратной связью; 9 - интегральные детекторы.

В качестве источника излучения используются интегральные лазеры с распределенной обратной связью, работающие на различных длинах волн. Для простоты показано 2 таких лазера, однаков в реальных схемах их может быть несколько десятков. Излучение различных лазеров с помощью направленных ответвителей поступает в общий волновод, а затем в волоконную линию связи, где распространяется без смешивания информации. В приемном модуля излучение разделяется по длинам волн и поступает к индивидуальному детектору. Для гетеродинного детектирования иногда используют дополнительные «местные» излучатели.

Рисунок 3 – Схема ИОС ВЧ спектроанализатора

Свет от лазерного источника вводится в планарный волновод, в котором он проходит сначала через кол-лимирующую линзу, а затем через акустооптический модулятор брэгговского типа. ВЧ- сигнал, спектр которого необходимо проанализировать, подается на акустический преобразователь, который генерирует звуковые волны с изменяемым периодом. Таким образом, угол отклонения оптического луча на выходе модулятора зависит от ВЧ-сигнала. Для фокусировки оптического луча на линейку фотодетекторов используется вторая линза. Если в ВЧ-сигнале присутствует более одной частотной компоненты, луч света разделяется на соответствующие компоненты, которые фокусируются на различные детекторные элементы. Каждый детекторный элемент представляет собой определенный частотный канал, и, поскольку фотодиоды обычно имеют квадратичные характеристики, выходной сигнал с каждого канала пропорционален ВЧ-мощности на данной частоте. Преимущество интегрально-оптического спектроанализатора по сравнению с электронным состоит в том, что требуется лишь несколько оптических элементов для выполнения тех функций, которые в противном случае требовали бы тысячи электронных элементов.

Рисунок 4 – Передающий оптический модуль со спектральным уплотнением

Передающий модуль объединяет несколько интегральных лазеров, снабженных спектрально- избирательными элементами. Излучение с различными длинами волн вводится в интегральный, а затем в волоконный световод. На каждой длине волны передается своя информация.

Интегрально-оптические корреляторы (ИО-корре-ляторы) электрических и оптических сигналов могут использоваться для реализации операций типа свертки. В настоящее время су- ществует несколько разновидностей ИО-корреляторов цифровых и аналоговых сигналов. В основе их работы используется дифракция когерентных пучков оптического излучения в планарных ОВ на дифракционных решетках (индуцированных с помощью ПАВ и/или электрооптического эффекта), последующее фурье-преобразование пространственно модулированного оптического сигнала по- средством планарных волноводных или внешних линз, а также выделение пространственным фильтром и фотоприемником (или матрицы фотоприемников) корреляционного сигнала или сигнала свертки двух входных сигналов S1(t) и S2(t).

Рисунок 5 – Акустооптический пространственно-интегрирующий коррелятор аналоговых сигналов: 1, 2 – встречно-штыревые преобразователи; 3 – планарный волновод; 4 – линза; 5 – фильтр пространственных частот; 5 – фотодетектор; 6 – поглотитель поверхностной акустической волны.

Из множества разработанных ИО-корреляторов аналоговых сигналов можно выделить два основных типа: пространственно-интегрирующие и время-интегрирующие корреляторы. Схемы быстродействующих ИО-корреляторов цифровых сигналов представлены на рисунках 6 и 7. Для выполнения интегральной операции корреляции или свертки необходимо обеспечить запоминание фильтрующей функции (эталонного кода) — сигнала S2(t), прием изменяющегося во времени информационного сигнала S1(t), который складывается из полезного сигнала и шумов, а также умножение и интегрирование сигналов.

В быстродействующем ИО-корреляторе цифровых сигналов (рисунок 6) эталонный код формируется с помощью соответствующих электронных устройств электрооптического пространственного модулятора света. Входной информационный сигнал S1(t) вызывает в волноводе генерацию радиоимпульсов ПАВ, распространяющихся на участке, длина которого (произведение длительности импульса на скорость ПАВ) согласована с длиной элемента электрооптического пространственного модулятора света. Логическая единица формируется высокочастотной ПАВ (преобразователь 2 с центральной частотой f₀2 = 875 МГц), а нуль (или минус единица, если сигнал биполярный) - низкочастотной ПАВ (преобразователь / с центральной частотой f₀i =459 МГц).
Умножение сигналов осуществляется в результате двукратной дифракции параллельного светового пучка в планарном ОВ, а интегрирование - с помощью оптической линзы.

Рисунок 6 - Схема быстродействующего ИО-коррелятора цифровых сигналов:

1, 2 - встречио-штыревые преобразователи; 3 - электрооптический пространственный модулятор света; 4 - планарный ОВ; 5 - линза; 6, 7 – фотодетекторы

Рисунок 7 - Схема электрооптического брэгговского ИО-коррелятора цифровых сигналов:

1, 2 — система встречно» штыревых сигнальных и кодирующих электродов соответственно: 3 — планарный ОВ; 4 — линза; 5 — фотодетектор