4.6.1. Структурная схема и классификация

4.6.2. Оптическое соединение элементов

4.6.3. Особенности источников и приемников излучения в волоконной и интегральной оптике

4.6.1. Структурная схема и классификация

Создание стеклянных световодов с малыми потерями, быстродействующих источников когерентного излучения и фотоприемников сделало возможным практическое применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), привлекательных по целому ряду причин. Это прежде всего широкополосность и огромная информационная емкость, свойственная оптическим методам передачи и обработки сигналов, практически полная защищенность от внешних электромагнитных воздействий и межканальных взаимонаводок, эксплуатационная безопасность. Для доступа к распространяющемуся по световолокну сигналу оптический кабель нужно разрушить (разорвать), т. е. ВОЛС обеспечивает скрытность передачи информации. Замена цветных металлов материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами, потенциально простая технология производства волоконно-оптических кабелей существенно удешевляют линии связи. Стеклянные световоды могут работать при высоких температурах, обладают химической стойкостью, малым весом, поперечным сечением и т. п. Таким образом, ВОЛС по важнейшим показателям превосходит все другие системы связи (но, конечно, непригодны для связи с движущимися и космическими объектами).

Ключевым элементом, в значительной степени определяющим достоинства волоконно-оптических систем связи, является световод с малыми оптическими потерями. Типичные значения затухания сигнала в стеклянном многомодовом световолокне составляют 3—4 дБ/км в спектральной области 0,8—0,9 мкм (согласующейся с арсенид-галлиевыми источниками излучения) и 0,5—1 дБ/км в области 1,3—1,6 мкм. Минимальные потери для чистого кварцевого волокна приходятся на длину волны 1,55 мкм и составляют 0,14—0,16 дБ/км, а в распространенном случае легирования сердцевины диоксидом германия — 0,2—0,3 дБ/км, что соответствует ослаблению сигнала 1—2% на 1 км и позволяет осуществлять безретрансляционную связь на больших расстояниях вплоть до ста километров (в земной атмосфере ослабление излучения с длиной волны 1 мкм составляет ~100 дБ/км, т. е. на расстоянии 1 км более чем в 1•10⁹ раз). Привлекательность диапазона 1,2—1,5 мкм обусловлена еще и тем, что в кварцевом стекле в этой спектральной области наименьшая материальная дисперсия (для λ≈1,3 мкм она «нулевая») и, кроме того, радиационная стойкость заметно выше, чем для λ =0,8 ÷ 0,9 мкм.

Относительно короткая ВОЛС состоит из светодиода, оптического кабеля и фотодиода. Тем не менее даже в этом простом случае возникает целый ряд проблем: оптическое сочленение световолокна с источником излучения и фотоприемником, их согласование по спектрам и быстродействию, позволяющие реализовать преимущества оптической связи, и др. Для повышения надежности и удобства работы светодиод или полупроводниковый лазер, электронную микросхему, дискретные элементы, узел оптической стыковки вместе с разъемом для соединения со световолокном собирают в виде единого устройства, называемого квантово-электрониым модулем (КЭМ). Для поддержания выходной мощности излучения неизменной при изменении температуры, а также в результате деградационных процессов в КЭМ используют обратную связь. Для этого в передающий КЭМ устанавливают фотодиод, на который попадает излучение источника и сигнал с которого подают на электронную схему. Изменение выходной мощности компенсируется автоматическим изменением силы тока через светоизлучающий или лазерный диод. Подобно передающему КЭМ на базе фотоприемника (обычно фотодиода) компонуют приемные КЭМ.

Информационную емкость ВОЛС можно увеличить за счет спектрального уплотнения канала, т. е. передачи по одному световолокну излучения с различной длиной волны. Для этого требуются источники, работающие на разных, но достаточно близких длинах волн, а также устройства объединения оптических каналов на входе и их разделения на выходе волоконной линии — мультиплексоры и демультиплексоры. Все это предполагает создание для волоконных линий связи интегрально-оптических схем, включающих в себя источники излучения, направленные ответвители, модуляторы, переключатели, фотоприемники и, наконец, электронные интегральные усилительные схемы, если при большой длине ВОЛС требуются промежуточные усилители или ретрансляторы (аналогично радиорелейным линиям связи).

Области практического применения ВОЛС чрезвычайно широки. В зависимости от протяженности они условно делятся на объектовые, городские (межгородские, зоновые) и магистральные, вплоть до межконтинентальных.

Внутриобъектовые ВОЛС — это относительно короткие (1 — 100 м) бортовые линии на кораблях, самолетах, ракетах и космических аппаратах, внутри учреждений и предприятий, в аппаратуре контроля и управления (работающей в условиях сильных помех, с высоковольтными и сильноточными цепями), для передачи световых импульсов большой мощности в лазерной технологии, медицине и т. п. Для внутриобъектной линии связи оптические потери, модовая и хроматическая дисперсия—не очень критические характеристики. Выделяют также так называемые монтажные волоконно-оптические кабели (длиной до 10—30 м), предназначенные для внутриблочных и межблочных соединений в аппаратуре.

Городские ВОЛС имеют среднюю протяженность до 50— 100 км, межгородские (зоновые) — до 200—300 км и предназначены для связи ЭВМ с отдаленными терминалами, устройствами сбора данных, телефонной, телеграфной и видеотелефонной связи. Следует оговорить использование ВОЛС для многопрограммного телевидения, что важно как с точки зрения повышения качества и надежности передачи в условиях сильных помех, экранирования высотными зданиями, рельефом местности, так и радикальной перестройки информационной службы, соединения абонентов с крупными библиотеками, банками данных, информационно-вычислительными центрами и др.

Назначение магистральных ВОЛС — передача информации на большие расстояния (сотни и тысячи километров). При минимальных оптических потерях они должны быть устойчивыми к многолетним воздействиям неблагоприятных внешних факторов (например, при укладке под землей, под водой). В магистральных ВОЛС используют дорогостоящие оптические кабели, содержащие гидроизолирующую оболочку, армирующие элементы и т. п.

Передачу сигналов в ВОЛС осуществляют как в аналоговой, так и в цифровой форме. Широкополосность световолокон делает предпочтительной передачу информации в цифровой форме, как более точной и надежной, менее чувствительной к шумам и искажениям.

4.6.2. Оптическое соединение элементов

В волоконно-оптических системах связи оптическое соединение световолокон между собой, с источниками и приемниками излучения имеет первостепенное значение, поскольку может быть связано со значительными переходными потерями (обычно выражаемыми в децибелах). Эффективность ввода излучения источника в световод зависит в первую очередь от степени сопряженности их характеристик: сечения и расходимости светового пучка с геометрическими размерами сердцевины и апертурного угла световолокна, ширины спектральной полосы излучения и количества волноводных мод и т. п.

Принципиально просто осуществляется ввод остронаправленного луча твердотельного лазера в многомодовое световолокно (~100%). Полупроводниковые лазеры и особенно светоизлучающие диоды соединяются со световодами с гораздо большими потерями.

Простой способ соединения светодиода с оптическим кабелем— приклеивание плоского светодиода к торцу световолокна (рис. 4.14, а). В этом случае целесообразно использовать многожильный кабель, чтобы увеличить площадь его торца и приблизить ее к площади светодиода, размеры которого обычно составляют 0,3—0,5 мм. Из-за малой апертуры, даже при плотной упаковке многомодовых волокон и использовании иммерсионного клея, оптические потери при таком способе стыковки могут достигать 10—20 дБ, т. е. в кабель вводится порядка одного процента излучения светодиода. Замена светодиода полупроводниковым лазером приводит при прочих равных условиях к снижению потерь примерно в 3—4 раза.

Если же излучение вводится в одиночный, а тем более одномодовый световод, описанный способ оптического соединения неприменим. В этом случае конец световолокна устанавливают в углублении подложки структуры (рис. 4.14,6) так, чтобы его торец оказался в непосредственной близости (~10— 20 мкм) от излучающей площадки, диаметр которой делается как можно меньшим (~ 50 мкм). Предпочтительно использование торцевого излучения полупроводникового источника (рис. 4.14,в, г). Для увеличения эффективности ввода излучения в световод (в несколько раз и даже 1—2 десятка раз) применяют оптические клеи, микролинзы, созданные на торце волокна оплавлением или нанесением подходящего материала, другие способы фокусировки излучения. Наибольшее влияние на эффективность ввода излучения источника в световолокно оказывает поперечное рассогласование, меньшее—продольное и угловое. Переходные потери при вводе в световод излучения полупроводникового лазера в лучшем случае составляют ~1дБ, светодиода — несколько децибел.

Соединение отрезков оптических волокон между собой осуществляют свариванием, сплавлением или склеиванием в юстировочном устройстве или же при помощи самого юстировочного элемента — керамической, пластмассовой, металлической трубки (капилляра) и т. п. В отличие от таких неразъемных соединений оптические разъемы (соединители) должны допускать многократные соединения — разъединения волокон. В большинстве случаев на оптические разъемы кроме малых потерь (~0,5 дБ) накладывают другие важные требования: малые размеры и вес, простота в обращении и дешевизна. Предложено множество методов юстировки и фиксации соединяемых световодов—от простейших соединительных патронов с коническими внутренними поверхностями до громоздких и разборных соединителей многоволоконных кабелей. Концы одного отрезка кабеля фиксируют строго против концов соответствующих волокон другого отрезка кабеля. При малом зазоре между торцами волокон, которые тщательно полируют с применением специальных устройств, световой сигнал проходит непосредственно из одного волокна в другое. Переходные оптические потери уменьшаются, если в места сочленения кабеля ввести иммерсионную жидкость. В подобных разъемах переходные потери не превышают 0,5—1 дБ при хорошей оптической «развязке» между соседними волокнами (несколько десятков децибел).

Применение интегрально-оптических схем в волоконно-оптических системах связи предполагает оптическое соединение световолокна с плоским волноводом. Если поперечные сечения световолокна и полоскового волновода близки по размерам, можно достичь их удовлетворительной оптической стыковки, расположив конец световолокна против торца плоского волновода. Для уменьшения потерь применяют микролинзы, иммерсионные жидкости и т. п.

Простой способ оптической стыковки световолокна с плоским волноводом заключается в приклеивании конца световолокна к наружной поверхности планарного волновода при помощи капли вещества с большим показателем преломления. При наиболее благоприятной угловой ориентации световолокна можно достичь эффективности связи около 50%.

Более технологична связь световолокна с интегрально-оптической схемой, если использовать сужающийся край пленочного волновода (см. рис. 4.5). В подложке под клиновидным краем волновода создается цилиндрическое отверстие, куда вставляется световолокно. Световая энергия может передаваться как из плоского волновода в световолокно, так и обратно. Достигнутая таким способом эффективность связи может превышать 50%.

4.6.3. Особенности источников и приемников излучения в волоконной и интегральной оптике

Основными источниками излучения, используемыми в интегральной и волоконной оптике, являются полупроводниковые светодиоды и лазеры, рассмотренные в первой главе. Светодиоды — дешевые и простые в управлении приборы — применяют в тех случаях, когда не нужны большие мощности излучения, пространственная направленность и узкая спектральная полоса излучения, например, в коротких (длиной до нескольких метров) многомодовых ВОЛС. Более универсальны полупроводниковые лазеры с p-п-переходами, обладающие малыми размерами, простой конструкцией, высокой надежностью и позволяющие осуществлять непосредственную высокочастотную модуляцию излучения.

Стремление повысить эффективность ввода излучения в световод микрометрических размеров привела к разработке диодной структуры, у которой активная излучающая область представляет собой узкую полоску (шириной 5—25 мкм) с зеркальными торцевыми гранями, что необходимо для создания оптической обратной связи (рис. 4.15,а). Полосковые лазеры предпочтительнее как с точки зрения оптической стыковки со световодом (поскольку излучение выходит через малую торцевую грань), так и для уменьшения порогового тока (из-за малой площади диодной структуры).

Применяемые в интегральной и волоконной оптике лазеры обычно представляют собой многослойные гетероструктуры на основе тройных или четверных полупроводниковых соединений. В гетероструктурах можно сделать так, что кроме эффективной инжекции неосновных носителей активная область малых размеров оказывается расположенной между слоями с меньшим показателем преломления, становясь, таким образом, волноводом, ограничивающим оптическое поле. Это приводит к тому, что, например, в гетероструктурах на GaAlAs плотность порогового тока составляет 1·10²—1·10³ А/см², а не 1·10⁴—1·10⁵ А/см², как у гомопереходных лазерных диодов.

Гетеролазеры интересны также возможностью управления спектральным составом излучения в процессе их изготовления. Излучение GaAs лазера (0,92 мкм) приходится, к сожалению, на полосу поглощения стеклянного световолокна (см. рис. 4.13). Если использовать гетероструктуру на основе GaAlAs, полоса излучения сдвигается в коротковолновую область. Часто используется состав, соответствующий излучению в области 0,85 мкм, где в спектре затухания боросиликатных стекол имеется относительный минимум. Еще привлекательнее область 1,2—1,3 мкм, где не только меньше потери в стекловолокне, но и практически отсутствует хроматическая (материальная) дисперсия.

Гетероструктуры на основе GaAlAs могут излучать только в области длин волн, меньших 0,92 мкм, т. е. для области 1,2—1,3 мкм они неприменимы. Принципиально для этого подходят соединения GalnAs, однако несоответствие кристаллических решеток GaAs иInAs приводит к возникновению дефектов структуры и, как следствие, к низкой эффективности излучательной рекомбинации и значительному оптическому поглощению. С подобными трудностями связано также создание гетероструктуры на основе GalnP, GaAsSb и др. В связи с этим более перспективны для излучения 1,2—1,3 мкм четверные соединения GalnAsP, GaAlAsSb и др. Хотя технология их изготовления более сложная, введение четвертого элемента позволяет создавать гетероструктуры с минимальным несоответствием кристаллических решеток слоев. Например, эффективное излучение гетероструктур GalnAsP получено не только для области 1,2—1,3 мкм, но и 1,55 мкм, т. е. там, где потери в стекловолокне минимальны (см. рис. 4.13).

Описанная технология и используемые для лазерных и светоизлучающих диодов материалы применимы также для изготовления плоских волноводов, фотоприемников, модуляторов, других интегрально-оптических элементов, а также электронных компонентов (диодов, транзисторов и т. п.). Однако при их объединении в монолитную интегрально-оптическую схему возникают трудности, связанные с созданием в планарном гетеролазере зеркальных торцевых поверхностей, образующих оптический резонатор. Использование ультразвуковой техники для образования микросколов, получение мезаструктур с вертикальными боковыми поверхностями методами эпитаксии, химического травления и т. п., как правило, не приводит к желаемым результатам. Проблема находит свое решение в применении для оптической обратной связи не зеркальных граней кристалла, а отражающих дифракционных решеток, созданных в самом волноводном слое. Распространены два типа основанных на этом принципе лазеров — с распределенными брэгговскими отражателями (РБО-лазер) и с распределенной обратной связью (РОС-лазер).

В РБО-лазере брэгговские зеркала расположены по обе стороны активной области, в которой создается инверсная населенность за счет инжекции неосновных носителей (рис. 4.15, б). Дифракционные решетки создаются путем гофрирования поверхности раздела между слоями гетероструктуры. Хотя дифракционная решетка отражает множество мод, практически только одна такая мода оказывается в спектре излучения полупроводникового лазера. При этом часто используют отражение моды не первого, а третьего порядка дифракции. Гофрированные участки можно сделать неодинаковой длины, обеспечивая тем самым вывод излучения только в одном направлении (в волновод, примыкающий к РБО-лазеру). Создавая последовательность нескольких решеток с различающимся периодом (шагом), можно получить лазер с частотным мультиплексированием.

В РОС-лазере гофрированные участки волновода совмещены с активной областью, т. е. в самой области, где создается инверсная населенность, действует оптическая обратная связь (рис. 4.15, в).

Как РБО-, так и РОС-лазеры кроме планарной конструкции имеют ряд преимуществ перед лазерами с отражающими торцевыми поверхностями. Они обеспечивают более точную настройку на нужную длину волны и более узкую полосу излучения (0,05—0,01 нм). Последнее особенно важно, поскольку частотный диапазон модуляции оптического сигнала, распространяющегося в волноводе, зачастую ограничен именно спектральной шириной полосы источника излучения.

В отличие от источников света, фотодетекторы, используемые в волоконной и интегральной оптике, имеют меньшие особенности по сравнению с известными полупроводниковыми приборами. В основном это смещенные в обратном направлении быстродействующие структуры: р-п-гомо- или гетеропереходы, диоды Шоттки, p-i-n- и лавинные фотодиоды, фототранзисторы. При их оптическом соединении со световолокном не так критично совпадение геометрических размеров; важно только, чтобы площадь фотодетектора не была заметно меньше сечения световолокна. Во всех случаях следует все же стремиться к минимальной площади фотодиода, так как его емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту устройства.

Фоточувствительные полупроводниковые структуры относительно просто соединяются с интегрально-оптическими волноводами, если те и другие создавать на базе полупроводниковых соединений А³В⁵. Фотодетектор можно создавать, в частности, в самом полосковом волноводе, для чего на соответствующем его участке наносят металл, образующий с материалом волновода запирающий барьер. Свет, распространяющийся в волноводе, падает на диодную структуру в поперечном направлении, а не нормально к плоскости перехода, и если, кроме того, толщина обедненного слоя близка к толщине волновода, достигается высокая квантовая эффективность фотопреобразования (близкая к 100%). Распространение света без потерь в волноводе и его поглощение в таком «волноводном» детекторе происходит за счет сдвига края поглощения света в сторону больших λ под действием сильного поля, локализованного в обратносмещенной структуре (уже упоминавшийся эффект Франца — Келдыша).

Другой метод монолитной интеграции плоского волновода с фотодетектором основывается также на гетеротехнологии: на участке волновода вытравливают углубление, в котором затем выращивают материал с меньшей шириной запрещенной зоны и легируют его так, чтобы образовалась выпрямляющая структура (например, в волноводе из GaAs создается фотодиод на основе GalnAsP). Высоким быстродействием (несколько десятков пикосекунд) обладают фоторезисторы на основе эпитаксиальных пленок GaAlAs, GalnAs, AlInAs. Для области 0,8—1,1 мкм основными являются кремниевые фотодетекторы, которые, однако, соединяются с интегрально-оптической схемой методами гибридной технологии.

Назначение лазерных диодов, в том числе и в интегрально-оптическом исполнении, не ограничивается только генерированием оптического излучения. Уровень инжекций можно сделать достаточным для создания инверсии населенности, но недостаточным для генерации, и тогда луч, прошедший через активную среду, усилится (регенеративный усилитель). Очевидно, усиление света будет происходить и при его прохождении через активную среду без резонатора (усилитель бегущей волны). И в том, и в другом случае одновременно с усилением света произойдет уменьшение концентрации электронно-дырочных пар, т. е. ток через диод уменьшится. Знак такого «отрицательного» фотоэффекта противоположен знаку фотоэффекта, наблюдаемому при нулевом или обратном смещении диода или же при малых прямых токах, не обеспечивающих инверсии. Лазерный диод, таким образом, может использоваться по крайней мере в трех качествах: генератора оптического излучения с возможностью внутренней модуляции, усилителя по оптическому каналу, а также быстродействующего фото приемника. На этом основывается работа линии двусторонней передачи с идентичными оконечными устройствами и ретрансляторами.