Полностью оптический коммутатор

Сегодня в оптических коммуникационных сетях в основном используется электрооптическая модуляция как единственный способ управления светом. Большая работа проделана в области MEMS-устройств (MicroElectroMechanicalSystem). Несколько лет назад мы были свидетелями энтузиазма, охватившего инженеров, предвкушавших революцию в области оптической коммутации с появлением чипов с массивами электрически управляемых микроскопических зеркал. Прошло немного времени, и, к сожалению, выяснилось, что они более подходят для проекторов, чем для скоростных оптических сетей. MEMS характеризуются не только не очень высокой надежностью, но и низкой скоростью реакции, измеряющейся микросекундами. В одной из статей Мишель Липсон (Michal Lipson), принимавшей участие в создании полностью оптического модулятора, перечислено 17 известных к настоящему моменту различных типов электрооптических устройств для управления световыми потоками. Тем не менее ни одно из них не способно удовлетворить потребности современной коммуникационной индустрии.

Физика

Рис. 1. Кремниевые кольцевой резонатор и волновод

Рис. 2. Два волновода, связанные с резонатором

Рис. 3. Процесс изготовления кремниевых волноводов

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

До открытия ученых Корнеллского университета чисто оптическая модуляция оставалась уделом лабораторных экспериментов, имея слабые шансы на коммерческое применение. Причина тому -- слабая зависимость коэффициентов рефракции и поглощения кремния от концентрации свободных носителей. Почему именно кремний? Причина прежняя: наличие хорошо налаженных промышленных мощностей по выпуску микроэлектроники. Без хорошо разработанной технологии изготовления внедрение даже очень прогрессивной технологии затянется на длительный срок. Кроме того, живя в мире "кремниевых чипов", необходимо разговаривать с ними "на одном языке", иначе проблемы стыковки и различные "пограничные эффекты" неизбежны. К счастью, Si является оптически прозрачным в типичном для оптоволоконных коммуникаций диапазоне длин волн (от 1,3 до 1,55 мкм) и обладает высоким коэффициентом преломления.

Пассивные устройства, использующие кристаллический кремний как волновод, давно известны. Роли волноводов здесь играют структуры, состоящие из кристаллического кремния, изолированные стенками из двуокиси кремния. Именно Липсон в своих экспериментах впервые на практике подтвердила теоретическое предположение о том, что когерентное излучение можно ограничить в пределах желобообразного световода, если его центральная часть будет иметь значительно меньший коэффициент преломления, чем границы. Однако вопрос состоит в нахождении механизмов динамической модуляции потоков света, и Мишель Липсон дала необходимый ответ.

Известны два механизма влияния на коэффициент преломления кремния -- термооптический эффект и эффект плазменной дисперсии. Первый на деле оказался недостаточно быстр -- переключение осуществляется с частотой всего 1 MHz. Исследователи всего мира сейчас сосредоточились на плазменной дисперсии, суть которой заключается в зависимости оптических свойств кристалла кремния от концентрации свободных носителей. Следовательно, необходим метод быстрого регулирования их количества -- механизмы генерации и релаксации.

Работы в данном направлении активно ведутся, однако препятствием для широкого внедрения полностью оптических модуляторов света была и остается необходимость в управляющем луче высокой энергии. Хорошим примером исследований, в которых результат достигается за счет энергоемких механизмов, является статья с. Леонарда и х. ван Дриля (S. W. Leonard и H. M. van Driel) "Ultrafast bandedge tuning of a twodimensional silicon photonic crystal via freecarrier injection". В ней описан метод быстрого (на уровне фемтосекунд) сдвига полосы пропускания кристалла кремния, примерно на 30 нм, за счет механизма генерации свободных электронов при двухфотонном поглощении. Функцию "вентиля" выполнял пористый кристалл кремния, а модулировался пробный луч света с длиной волны 1,9 мкм.

Изменение полосы пропускания кристалла измеряли, фокусируя тестовый луч в пятно диаметром 30 мкм, находящееся по центру зоны диаметром 90 мкм, облучаемой модулирующим когерентным потоком с длиной волны 800 нм и энергией около 2,1 мДж•см-2. При всем том коэффициент поглощения изменялся незначительно, поэтому для модуляции с глубиной около 90% потребуется создать волновод длиной 600 мкм.

Ученые из города Итака, в котором расположен Корнеллский университет, не открыли нового явления в физике, но, воспользовавшись резонатором, сумели существенно поднять эффективность своего модулятора. С помощью пучка света с энергией всего 25 пДж они изменяют коэффициент поглощения кремниевой структуры на 94%.

Главная деталь модулятора -- кольцевой резонатор. В нем может существовать только пучок света с фиксированной длиной волны, которая определяется исходя из его геометрических характеристик. На частотах резонанса пропускная способность кольца существенно снижается с начальных 80% до значений ниже 5%. Самое замечательное в этом -- возможность подстроить частоту резонанса с помощью второго, называющегося "накачивающим" (pump), пучка света, призванного увеличивать плотность свободных носителей в материале кольца за счет двухфотонного поглощения. Накачка осуществляется короткими импульсами длительностью 10 пс на одной из резонансных частот.

Два линейно поляризованных луча (тестовый и управляющий) передаются по единому кремниевому волноводу. Суть эффекта в том, что накачивающий импульс сам по себе вызывает лишь мизерные изменения коэффициента преломления кристалла кремния, ничем не отличающиеся от значений, полученных другими экспериментаторами (n=10 3). Однако благодаря резонатору небольшие вариации коэффициента оказывают огромное влияние на пропускную способность системы. Несмотря на довольно длительное время релаксации свободных носителей, равное 450 пс, исследователи утверждают: его можно существенно снизить за счет различных технологий производства кремниевых пластин. По их расчетам минимальное время реакции "оптического затвора" составит 100 пс.

Технология

Любопытно: задались ли вы вопросом, как свет попадает в кольцо? Ответ прост: с помощью магии. Ну а если серьезно, то благодаря эффекту "эфемерной связи" ("evanescent coupling", или "эфемерная связь"). Этот метод передачи используют все свежеизобретенные оптические приводы сверхбольшой емкости, основанные на эффекте "близкого поля" ("near-field"). На практике доказано, что если расположить два волновода достаточно близко друг к другу, то энергия может передаваться между ними так, словно разделяющего их пространства (материала, барьера) не существует.

Так вот, кольцо резонатора располагается в непосредственной близости от волновода (рис. 1), и свет проникает через разделяющее их пространство. В случае прямого волновода и прилегающего к нему кольца излучение с резонансной длиной волны будет "поглощаться". Соединив посредством резонатора два волновода, мы получим "оптический вентиль", пропускающий между ними свет только на кратных резонансной частотах (рис. 2). Изменяя частоту резонанса с помощью накачивающего потока света, можно динамически скорректировать фильтруемую устройством частоту. Конфигурация из нескольких волноводов и колец, настроенных на разные частоты резонанса, в совокупности представляет собой готовый оптический многоканальный коммутатор.

Волновод на оптическом чипе формируется достаточно просто (рис. 3). Берется пластина-сандвич кремний на изоляторе, в которой слой кремния выращен поверх слоя двуокиси кремния. На пластину наносится электронно-чувствительный резист, проявляющийся электронным лучом. Непроявленный резист удаляется, и с помощью ионного травления формируются полоска-"сердцевина" из чистого кремния. На следующем этапе поверхность плакируется двуокисью кремния одним из доступных методов, например посредством плазменного напыления PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

Тестовая оптическая установка состояла из двух лазеров. Сапфировый с длиной волны, равной 900 нм, обеспечивал подачу накачивающих (управляющих) импульсов длительностью 8 пс и энергией 25 пДж. Другой постоянный лазер с подстраиваемой длиной волны использовался как источник тестового сигнала. Оба луча смешивались и подавались в чип с помощью наноконуса. На выходе накачивающие импульсы отделялись от "полезного" сигнала подстраиваемым полосовым дифракционным фильтром (рис. 4).

Коэффициент преломления кремния меняется с температурой, поскольку он находится в прямой зависимости от концентрации свободных носителей: чем меньше температура, тем больше коэффициент. Нейтрализовать влияние этого эффекта помогает напряженный кремний, в котором коэффициент преломления имеет прямую зависимость от температуры.

На пути к полностью оптическим коммутаторам есть и другие препятствия. В частности, возникает проблема стыковки оптоволоконных и кремниевых волноводов. Последние обладают высоким коэффициентом преломления и малым диаметром, поэтому если их просто соединить, то большая часть сигнала будет отражаться и рассеиваться. Одно из последних предложений предполагает формирование на грани чипа конического "переходника" между оптоволокном и волноводом. Но если вы думаете, что широкая часть конуса упирается в оптоволокно, то должен разочаровать: не так все просто. Конус как раз сужается по направлению к месту стыковки волокна и микросхемы, достигая диаметра, меньшего длины волны. Как ни странно, но за счет волновых явлений именно такая конфигурация приводит к эффекту, позволяющему минимизировать потери при переходе пучка света из одной среды в другую.

Область применения оптических коммутаторов значительно шире, чем модернизация широкополосных оптических сетей. По мнению специалистов, они могут найти свое место в процессорных, серверных коммутационных шинах и других местах, где требуются высокая скорость передачи и переадресации больших объемов данных в ограниченном пространстве.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365