Повністю оптичний комутатор . Статті . Компьютерное Обозрение

03.10.2015

Повністю оптичний комутатор

Сьогодні в оптичних комунікаційних мережах в основному використовується электрооптическая модуляція як єдиний спосіб керування світлом. Велика робота проведена в області MEMS-пристроїв (MicroElectroMechanicalSystem). Кілька років тому ми були свідками ентузіазму, що охопила інженерів, предвкушавших революцію в області оптичної комутації з появою чіпів з масивами електрично керованих мікроскопічних дзеркал. Минуло небагато часу, і, на жаль, з’ясувалося, що вони більше підходять для проекторів, ніж для швидкісних оптичних мереж. MEMS характеризуються не тільки не дуже високою надійністю, але і низькою швидкістю реакції, вимірюється микросекундами. В одній із статей Мішель Ліпсон (Michal Lipson), що брала участь у створенні повністю оптичного модулятора, перераховано 17 відомих до теперішнього моменту різних типів електрооптичних пристроїв для управління світловими потоками. Тим не менш, жодна з них не здатна задовольнити потреби сучасної комунікаційної індустрії.

Рис. 4. Схема експериментальної установки

До відкриття вчених Корнеллського університету чисто оптична модуляція залишалася долею лабораторних експериментів, маючи слабкі шанси на комерційне застосування. Причина тому — слабка залежність коефіцієнтів рефракції і поглинання кремнію від концентрації вільних носіїв. Чому саме кремній? Причина перша: наявність добре налагоджених промислових потужностей з випуску мікроелектроніки. Без добре розробленої технології виготовлення впровадження навіть дуже прогресивної технології затягнеться на тривалий термін. Крім того, живучи у світі «кремнієвих чіпів», необхідно розмовляти з ними «на одній мові», інакше проблеми стикування і різні «прикордонні ефекти» неминучі. На щастя, Si є оптично прозорим у типовому для оптоволоконних комунікацій діапазоні довжин хвиль (від 1,3 до 1,55 мкм) і володіє високим коефіцієнтом заломлення.

Пасивні пристрої, що використовують кристалічний кремній як хвилевід, давно відомі. Ролі хвилеводів тут грають структури, що складаються з кристалічного кремнію, ізольовані стінками з двоокису кремнію. Саме Ліпсон у своїх експериментах вперше на практиці підтвердила теоретичне припущення про те, що когерентне випромінювання можна обмежити в межах желобообразного світловода, якщо його центральна частина буде мати значно менший коефіцієнт заломлення, ніж кордони. Однак питання полягає в знаходженні механізмів динамічної модуляції потоків світла, і Мішель Ліпсон дала необхідний відповідь.

Відомі два механізми впливу на коефіцієнт заломлення кремнію — термооптический ефект і ефект плазмової дисперсії. Перший на ділі виявився недостатньо швидкий — перемикання здійснюється з частотою 1 Мгц. Дослідники всього світу зараз зосередилися на плазмової дисперсії, суть якої полягає в залежності оптичних властивостей кристала кремнію від концентрації вільних носіїв. Отже, необхідний метод швидкого регулювання їх кількості — механізми генерації та релаксації.

Роботи в цьому напрямку активно ведуться, проте перешкодою для широкого впровадження повністю оптичних модуляторів світла була і залишається необхідність в керуючому промені високої енергії. Хорошим прикладом досліджень, в яких результат досягається за рахунок енергоємних механізмів, є стаття с. Леонарда і х. ван Дриль (S. W. Leonard і H. M. van Driel) «Ultrafast bandedge tuning of a twodimensional silicon photonic crystal via freecarrier injection». В ній описано метод швидкого (на рівні фемтосекунд) зсуву смуги пропускання кристала кремнію, приблизно на 30 нм, за рахунок механізму генерації вільних електронів при двухфотонном поглинання. Функцію «вентиля» виконував пористий кристал кремнію, а модулировался пробний промінь світла з довжиною хвилі 1,9 мкм.

Зміна смуги пропускання кристала вимірювали, фокусуючи тестовий промінь в пляму діаметром 30 мкм, що знаходиться по центру зони діаметром 90 мкм, опромінюваної модулюючим когерентним потоком з довжиною хвилі 800 нм і енергією близько 2,1 мДж•см-2. При всьому тому коефіцієнт поглинання змінювався незначно, тому для модуляції з глибиною близько 90% потрібно створити хвилевід довжиною 600 мкм.

Вчені з міста Ітака, в якому розташований Корнеллский університет, не відкрили нового явища у фізиці, але, скориставшись резонатором, зуміли істотно підняти ефективність свого модулятора. З допомогою пучка світла з енергією всього 25 пДж вони змінюють коефіцієнт поглинання кремнієвої структури на 94%.

Головна деталь модулятора — кільцевої резонатор. В ньому може існувати тільки пучок світла з фіксованою довжиною хвилі, яка визначається виходячи з його геометричних характеристик. На частотах резонансу пропускна здатність кільця істотно знижується з початкових 80% до значень нижче 5%. Саме чудове в цьому — можливість налаштувати частоту резонансу за допомогою другого, називається «накачувати» (pump), пучка світла, покликаного збільшувати щільність вільних носіїв у матеріалі кільця за рахунок двухфотонного поглинання. Накачування здійснюється короткими імпульсами тривалістю 10 пс на одній з резонансних частот.

Два лінійно поляризованих променя (тестовий та керуючий) передаються за єдиним кремниевому хвилеводу. Суть ефекту в тому, що накачивающий імпульс сам по собі викликає лише мізерні зміни коефіцієнта заломлення кристала кремнію, нічим не відрізняються від значень, отриманих іншими експериментаторами (n=10 3). Однак завдяки резонатора невеликі варіації коефіцієнта впливають на пропускну здатність системи. Незважаючи на досить тривалий час релаксації вільних носіїв, рівна 450 пс, дослідники стверджують: його можна істотно знизити за рахунок різних технологій виробництва кремнієвих пластин. За їх розрахунками мінімальний час реакції «оптичного затвора» складе 100 пс.

Технологія

Цікаво: ви задалися питанням, як світло потрапляє в кільце? Відповідь проста: за допомогою магії. Ну а якщо серйозно, то завдяки ефекту «ефемерною зв’язку» («evanescent coupling», або «ефемерний зв’язок»). Цей метод передачі використовують всі свежеизобретенные оптичні приводи надвеликої ємності, засновані на ефекті «близького поля» («near-field»). На практиці доведено, що якщо розташувати два хвилеводу досить близько один до одного, то енергія може передаватися між ними так, немов розділяє їх простору (матеріалу, бар’єру) не існує.

Так от, кільце резонатора розташовується в безпосередній близькості від хвилеводу (рис. 1), і світло проникає через розділяє їх простір. У разі прямого хвилеводу і прилеглого до нього кільця випромінювання з резонансною довжиною хвилі буде «поглинатися». Поєднавши допомогою резонатора два хвилеводу, ми отримаємо «оптичний вентиль», пропускає між ними світло тільки на кратних резонансної частоти (рис. 2). Змінюючи частоту резонансу за допомогою насосів потоку світла, можна динамічно скорегувати фільтровану пристроєм частоту. Конфігурація з декількох хвилеводів і кілець, налаштованих на різні частоти резонансу, в сукупності являє собою готовий оптичний багатоканальний комутатор.

Хвилевід на оптичному чіпі формується досить просто (рис. 3). Береться пластина-сандвіч кремній на ізоляторі, в якій шар кремнію вирощений поверх шару двоокису кремнію. На пластину наноситься електронно-чутливий резист, що виявляється електронним променем. Невиявлений резист видаляється, і з допомогою іонного травлення формуються смужка-«серцевина» з чистого кремнію. На наступному етапі поверхню плакируется двоокисом кремнію одним з доступних методів, наприклад, за допомогою плазмового напилення PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

Тестова оптична установка складалася з двох лазерів. Сапфіровий з довжиною хвилі, рівної 900 нм, забезпечував подачу накачивающих (керуючих) імпульсів тривалістю 8 пс і енергією 25 пДж. Інший постійний лазер з підлаштовуваною довжиною хвилі використовувався як джерело тестового сигналу. Обидва променя змішувалися і подавалися в чіп з допомогою наноконуса. На виході накачаючі імпульси відділялися від «корисного» сигналу підлаштовується смуговим дифракційним фільтром (рис. 4).

Коефіцієнт заломлення кремнію змінюється з температурою, оскільки він знаходиться у прямій залежності від концентрації вільних носіїв: чим менше температура, тим більший коефіцієнт. Нейтралізувати вплив цього ефекту допомагає напружений кремній, в якому коефіцієнт заломлення має пряму залежність від температури.

На шляху до повністю оптичних комутаторів є й інші перешкоди. Зокрема, виникає проблема стикування оптоволоконних і кремнієвих хвилеводів. Останні володіють високим коефіцієнтом заломлення і малим діаметром, тому якщо їх просто з’єднати, то велика частина сигналу буде відображатися і розсіюватися. Одна з останніх пропозицій передбачає формування на межі чіпа конічного «перехідника» між оптоволокном і хвилеводом. Але якщо ви думаєте, що широка частина конуса впирається в оптоволокно, то мушу розчарувати: не так все просто. Конус якраз звужується у напрямку до місця стикування волокна і мікросхеми, досягаючи діаметра, меншої довжини хвилі. Як не дивно, але за рахунок хвильових явищ саме така конфігурація призводить до ефекту, що дозволяє мінімізувати втрати при переході пучка світла з одного середовища в іншу.

Область застосування оптичних комутаторів значно ширше, ніж модернізація широкосмугових оптичних мереж. На думку фахівців, вони можуть знайти своє місце в процесорних, серверних комутаційних шинах та інших місцях, де потрібні висока швидкість передачі і переадресації великих обсягів даних в обмеженому просторі.

Короткий опис статті: оптичний комутатор Коли дослідники Корнельського університету (Cornell University) продемонстрували принципово новий повністю оптичний модулятор, це викликало бурхливу реакцію в IT-індустрії. Цей винахід дозволить багаторазово прискорити роботу оптичних мереж, побудувати повністю оптичні комп’ютери або хоча б комутаційні шини, створити гнучко реконфигурируемую оптичну комунікаційну інфраструктуру. Наука і технології, Мережі і зв’язок, Повністю оптичний комутатор

Джерело: Повністю оптичний комутатор | Статті | Компьютерное Обозрение

Також ви можете прочитати