Патент на изобретение №2167445

(54) ИНТЕГРАТОР СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области интегральной оптики и может быть одним из элементов оптической 3-D-интегральной схемы с трехмерными оптическими связями. Интегратор световых пучков состоит из подложки, N оптических входных каналов и общего канала. Каждый входной канал состоит из вводной дифракционной решетки, сформированной на поверхности дополнительного планарного волновода, отделенного от оптической шины буферным слоем, и представляет собой элемент ввода с оптической развязкой. Для буферных слоев применен материал, величина показателя преломления которого меньше, чем величины показателей преломления материалов, из которых изготовлены оптическая шина и дополнительные волноводы. Дополнительные планарные волноводы выполнены из того же материала, что и оптическая шина, или из материала с более низкой величиной показателя преломления. Технический результат – повышение компактности переходом от двумерной конструкции интегратора к трехмерной и упрощение технологии изготовления интегратора заменой канальных волноводов планарными. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области интегральной оптики, а именно предлагаемое устройство может быть применено в качестве одного из элементов оптической 3-D-интегральной схемы для реализации параллельной логико-арифметической обработки световых информационных сигналов.

В качестве интегратора – устройства, суммирующего интенсивности монохроматических световых пучков, могут быть использованы разработанные ранее для многоканальных линий связи интегрально-оптические мультиплексоры.

Так, в [1] предложено устройство, которое выглядит следующим образом: на плоской подложке из арсенида галлия сформированы 6 канальных волноводов шириной 20 мкм и расстоянием между волноводами 300 мкм. Волноводы были изогнуты в плоскости подложки с минимальным радиусом кривизны, равным 4 мм, для сведения их в общий волновод, который был состыкован с оптическим волокном линии связи. Световые пучки, отличающие на (205) по длинам волн, распространяясь по канальным волноводам, собирались (мультиплексировались) в одном общем волноводе.

В работе [2] представлена оптическая интегральная схема (ОИС) для оптической связи. В этой ОИС световые пучки с различными длинами волн вводятся в общий волновод с помощью пассивных двухканальных направленных ответвителей, состоящих из близко расположенных канальных волноводов. Утверждается, что такое решение позволяет достаточно просто осуществить оптический ввод нескольких сигналов в один волновод с эффективностью, приближающейся к 100%.

Перечисленные устройства показали свою эффективность и надежность в оптических интегральных схемах двумерной архитектуры, но они не могут быть применены для суммирования световых пучков, распространяющихся вне плоскости чипа ОИС.

Интегратор, обеспечивающий оптические связи в трехмерных ОИС, предложен в [3] . Он состоит из отдельных канальных волноводов, объемных волноводных голограмм и общего канального волновода (оптической шины). Световые пучки, распространяясь в трехмерном пространстве, с помощью объемных голограмм вводятся в отдельные канальные волноводы и суммируются в оптической шине. Схема интегратора обеспечивает трехмерные оптические связи, но она располагается в плоскости чипа и является двумерной конструкцией.

Важнейшими параметрами многослойной трехмерной ОИС являются размеры и плотность упаковки ее элементов. Применение канальных волноводов накладывает дополнительные ограничения на размеры интегратора. Кроме того, изготовление канальных волноводов связано со значительными технологическими трудностями.

Целью изобретения является повышение компактности переходом от двумерной конструкции интегратора к трехмерной и упрощение технологии изготовления заменой канальных волноводов планарными.

Указанная цель достигается за счет изготовления интегратора в виде оптимально рассчитанной многослойной конструкции, в которой:
каждый вводной канал представляет собой элемент ввода с оптической развязкой и состоит из вводной дифракционной решетки, сформированной на поверхности дополнительного планарного волновода, отделенного от оптической шины буферным слоем;
в качестве буферного слоя применен материал, величина показателя преломления которого ниже, чем величины показателей преломления материалов, из которых изготовлены оптическая шина и дополнительные волноводы;
дополнительные планарные волноводы выполнены из того же материала, из которого изготовлена оптическая шина, или из материала с более низкой величиной показателя преломления.

Новыми признаками предложенного устройства являются:
буферные слои и дополнительные планарные волноводы с дифракционными решетками на их поверхности;
материал буферных слоев имеет показатель преломления меньше, чем показатели преломления дополнительных и общих волноводов;
материалы дополнительных и основных волноводов одинаковы либо дополнительные волноводы имеют меньшую величину показателя преломления, чем общие волноводы.

Конструктивные особенности предлагаемого интегратора показаны с помощью иллюстративного материала. На чертеже приведена принципиальная схема интегратора световых пучков с оптической развязкой N входных каналов.

Интегратор состоит из стеклянной подложки 1, на поверхности которой нанесен планарный волновод 2, выполняющий функцию оптической шины для каналирования всех введенных в него световых пучков. Вводные дифракционные решетки 3, формируемые голографическим способом на дополнительных планарных волноводах 4, могут быть изготовлены гофрированием поверхности этих волноводов с помощью селективного травления. Буферные слои 5, нанесенные между оптической шиной и дополнительными волноводами, выполняют роль оптической развязки между N вводными каналами. Выводная решетка 6 выполнена на поверхности оптической шины в одном технологическом цикле с вводными решетками.

Пучки монохроматического света, распространяющиеся в свободном пространстве, вводятся в дополнительные планарные волноводы 4 вводными решетками 3, собираются (суммируются) в одном общем планарном волноводе (оптической шине) 2 и выводятся из интегратора выводной решеткой 6 (или регистрируются волноводным фотодетектором). Период решеток рассчитан таким образом, что ввод и вывод излучения осуществляются в первом порядке дифракции, а входные и выходной световые пучки распространяются ортогонально поверхности волновода.

Каждый из N входных каналов выполнен на поверхности оптической шины в виде элемента ввода с оптической развязкой. При этом пучок света, распространяющийся в оптической шине, не взаимодействует с последующими вводными дифракционными решетками, сформированными на поверхности дополнительных планарных волноводов, поскольку каждый дополнительный волновод отделен от оптической шины буферным слоем 5. Поэтому интенсивность светового пучка, распространяющегося в оптической шине, равна (без учета потерь) сумме интенсивностей введенных световых пучков.

В качестве буферного слоя применен материал, у которого значение показателя преломления (n) ниже, чем значение показателей преломления материалов, из которых изготовлены оптическая шина и дополнительные волноводы, например, фтористый магний (MgF₂), у которого 1,4. Толщина буферного слоя рассчитывается из условия, что интенсивность “хвоста” волноводной моды затухает на этой толщине в е раз.

Дополнительные планарные волноводы выполнены либо из того же материала, из которого изготовлена оптическая шина, либо из материала с более низким значением показателя преломления. Так, если оптическая шина изготовлена из сернистого цинка (n_ZnS2,4), то дополнительные волноводы могут быть изготовлены также из сернистого цинка или из двуокиси циркония ( 1,98). Толщина слоев общего и дополнительных волноводов должна быть минимальной, но обеспечивать распространение нулевой волноводной моды.

Таким образом, изготовление интегратора в виде трехмерной многослойной структуры и оптимизация толщины слоев позволяют минимизировать размеры устройства и сделать возможным изготовление интегратора в едином технологическом цикле, исключив прецизионный процесс изготовления канальных волноводов.

Кроме того, появляется возможность реализации интегратора в виде линейки, совместимой с линейкой полупроводниковых лазеров, что позволяет, при небольших изменениях в конструкции, использовать предлагаемое устройство в качестве мультиплексора в гибридной ОИС для многоканальных линий связи. Для этого период каждой вводной решетки должен быть согласован с длиной волны соответствующего входного светового пучка, а выводная решетка заменена элементом связи пленка – оптическое волокно.

ЛИТЕРАТУРА
1. Aiki К., Nakamura М., Umeda J. “A Frequency-Multiplexing Light Source with Monolithically Integrated Distributed-Feedback Diode Laseres”. IEEE Journal of Quantum Electronics, v.QE-13, N 13, p.220, 1977.

2. Хансперджер Р. Интегральная оптика, Мир, М., с. 10, 1985.

3. Козик В. И., Твердохлеб П.Е. “3-D оптические интегральные схемы ассоциативной памяти”. Ж. “Автометрия”, N 3, с. 44, 1993.

Формула изобретения

1. Интегратор световых пучков, состоящий из подложки, N оптических входных каналов и общего канала (оптической шины), отличающийся тем, что каждый входной канал состоит из вводной дифракционной решетки, сформированной на поверхности дополнительного планарного волновода, отделенного от оптической шины буферным слоем, и представляет собой элемент ввода с оптической развязкой.

2. Интегратор по п.1, отличающийся тем, что для буферных слоев применен материал, величина показателя преломления которого меньше, чем величины показателей преломления материалов, из которых изготовлены оптическая шина и дополнительные волноводы.

3. Интегратор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные планарные волноводы выполнены из того же материала, что и оптическая шина, или из материала с более низкой величиной показателя преломления.

РИСУНКИ