ОПТИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ Российский патент 2013 года по МПК G02F1/33 G02B6/44 

Изобретение относится к оптике, к оптическим волноводным устройствам, в частности, к микромеханическим оптическим коммутаторам оптических линий связи.

Оптическое волокно и волоконная оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, выбраны в качестве основы развития наземных линий связи. Полосу пропускания такой связи можно считать бесконечно большой в сравнении с радиосвязью, и требования к полосе пропускания удваиваются каждые три года. Оптические коммутаторы являются неотъемлемой частью волоконных систем.

Ведутся активные работы в области создания микроэлектромеханических полностью оптических кросс - коммутаторов в виде матриц двумерных устройств типа 2D и трехмерных - типа 3D. Эти устройства являются аналогами предлагаемого по изобретению; их область использования включает в себя функции защиты и подключения периферийных оптоволоконных устройств, а также коммутацию в локальных световодных сетях. Чаще всего такие коммутаторы являются микрозеркальными устройствами; в 2D устройствах микрозеркало имеет два фиксированных положения, управление им цифровое, в 3D устройствах требуется аналоговое управление положением зеркала. Созданы 2D устройства размером 32*32 канала, более сложные системы коммутаторов собираются из нескольких простых устройств [Green P. Progress in Optical Networking, IEEE Communications Magazine, January 200]. В качестве наиболее быстродействующего приводного механизма используется электростатический [Bourn M/ VEVS Switching…and Beyond, Cahners In-Stat Group, Lightwave, March 2001.]. Однако достигнутый уровень параметров считается не достаточным, не соответствующим требованиям оптоволоконных систем связи, что обусловлено значительной инерционностью микрозеркальных устройств.

Другим аналогом изобретения выбран решеточный ответвитель световой волны, представляющий собой планарный оптический волновод, гофрированный с постоянным периодом гофра [Х.-Г. Унгер. Планарные и волоконные оптические волноводы. Пер. с англ. М.: Мир. 1980. - 656 с]. Такие волноводы являются компонентами устройств интегральной оптики и служат для ввода оптических электромагнитных волн в планарные волноводы или вывода их оттуда, служат направленными ответвителями. Периодичность гофра приводит к дифракции рассеянного направленными ответвителями света, приходящего к ним по волноводу. Угол дифракции зависит от длины волны света и шага периодичности гофра.

Недостатком аналога является отсутствие возможности управления углом дифракции излучения при не меняющейся длине волны входящего излучения в уже изготовленном устройстве, что не позволяет применить устройство в качестве переключателя входящего излучения между несколькими устройствами вывода излучения.

Прототипом изобретения выбран матричный электрооптический коммутатор на основе брэгговских ответвителей в планарных оптических волноводах [А.С. Семенов, В.Л. Смирнов, А.В. Шмалько. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.]. В коммутаторе используется электрооптически активная подложка из ниобата лития, на поверхности подложки сформирован планарно-канальный оптический волновод. Поверх волновода нанесена встречно-штыревая система электродов, с помощью которых при подаче между «встречными» группами электродов этой системы электрического напряжения в волноводе, выполненном в прототипе из верхнего слоя подложки и имеющего тот же химический состав и кристаллическую структуру, электрооптически возбуждаются структуры брэгговской решетки в виде пространственной периодической картины модуляции показателя преломления. Электроды подсоединены электрически к контактам на подложке коммутатора и расположены под острым углом к направлению излучения в волноводе, что позволяет отраженное излучение направить в устройство вывода излучения.

Недостатком прототипа является значительная протяженность области на подложке, занятой коммутационным элементом, что приводит к невозможности создавать матричный коммутатор большой сложности.

Решаемой в настоящем изобретении задачей является создание устройства коммутатора оптических линий связи, имеющего размеры коммутационных ячеек много меньше, чем у прототипа, что позволит создавать матричные коммутаторы большой сложности.

Задача решается тем, что в оптическом коммутаторе оптических линий связи, содержащем на подложке планарный оптический волновод и области формируемого в нем брэгговского зеркала в виде картины периодической пространственной модуляции показателя преломления волновода, создаваемой при помощи группы периодически размещенных поверх волновода электродов в виде пленочных полосок, соединенных с электрическими контактами, расположенными на коммутаторе, а также оптические устройства ввода в волновод и вывода излучения, в соответствии с изобретением, полоски закреплены с зазором над поверхностью планарного волновода с возможностью перемещения с изменением величины зазора.

Предлагается также устройство, отличающееся тем, что полоски закреплены на подложке коммутатора одним. или двумя концами непосредственно или через прокладки.

Предлагается также устройство, отличающееся тем, что полоски прозрачные с показателем преломления не ниже показателя преломления волновода, или металлические, или диэлектрические с зеркальным проводящим слоем.

Предлагается также устройство, отличающееся тем, что полоски группы или их проводящие слои электрически соединены между собой.

Предлагается также устройство, отличающееся тем, что подложка коммутатора проводящая или содержит проводящий слой, соединенный с электрическими контактами, расположенными на коммутаторе.

Предлагается также устройство, отличающееся тем, что диэлектрические полоски в группе механически скреплены между собой.

Изобретение поясняется с помощью фиг.1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 схематически показан в двух проекциях вариант конструкции многоканального оптического коммутатора в соответствии с изобретением. Здесь 1 - подложка, 2 - планарный оптический волновод, 3 - проводящий слой подложки, 4 - пленочные полоски, расположенные над поверхностью волновода, 5 -проводящая прокладка, на которой закреплены концы полосок, обеспечивающая зазор между поверхностью волновода и полосками и их электрическое соединение с электрическим контактом 6. 7 - элементы призменного типа для ввода излучения в планарный волновод, 8 - элементы призменного типа для вывода излучения из планарного волновода, 9 -коммутируемое излучение, вводимое в призму из канала входной оптической линии связи, 10 - излучение, выводимое призмой из планарного волновода при срабатывании переключателя, кружком Б обозначена область на подложке, занятая коммутационным элементом, состоящим из нескольких полосок.

На фиг.2 показана более детально область Б. Здесь а) -коммутационный элемент в начальном состоянии, до приложения управляющего электрического напряжения, б) - коммутационный элемент после подачи управляющего напряжения (вид по стрелке А); в) - группа периодически расположенных полосок коммутационного элемента (вид сверху); 11 - нижний диэлектрический слой двухслойной полоски, 12 -верхний проводящий слой двухслойной полоски, 13 и 14 - слои полоски, прогнувшейся при срабатывании переключателя; 15 - зазор между полосками и поверхностью волновода; остальные цифровые обозначения совпадают с обозначениями на фиг.1.

На фиг.3 схематически в двух проекциях показан коммутационный элемент, содержащий группу скрепленных друг с другом полосок. Здесь 16 - полоски группы, 17 - пленочный слой, скрепляющий группу полосок; этот слой может быть управляющим электродом и располагается со стороны полосок, противоположной зазору между полосками и волноводом.

Предлагаемый подход заключается создании в момент переключения в слое планарного световода структуры брэгговского зеркала путем наложения на поверхность волновода решетчатой системы диэлектрических полосок. Оптический переключатель представляет собой участок оптического планарного волновода, к поверхности которого электростатически при подаче управляющего электрического напряжения прижимаются диэлектрические полоски, образуя на поверхности картину в виде решетки. Необходимый период решетки вычисляется в соответствии с известным соотношением Брэгга:

где λ - длина волны излучения в среде, m - порядок дифракции, θ - угол между падающим лучом и линией штриха решетки, равный углу дифракции, d - шаг периодичности решетки.

Полоски располагаются по отношению к распространяющемуся в слое волновода лучу под острым углом, что позволяет отраженному от Брэгговского зеркала лучу отклонится от направления падающего и выйти за пределы всей структуры с матрицей переключателей. Диэлектрические полоски, наложенные на поверхность волновода, создают в планарном волноводе периодическую модуляцию эффективного показателя преломления, что создает связь между модами распространения света в волноводе. Для решетки с синусоидальным изменением показателя преломления n по направлению x

где n₁ - амплитуда изменения показателя преломления, коэффициент связи можно записать в виде [Волноводная оптоэлектроника: Пер. с англ. / Под ред. Т.Тамира. - М.: Мир. 1991. - 575 с.]

где λ_В=2n_vd - брэгговская длина волны, n_v - модовый показатель

преломления для планарного волновода. Близкое к 100% отражение реализуется для решетки, протяженность которой равна

Расчеты показывают, что эффективность связи может быть за счет использования в полосках диэлектрика с большим значением показателя преломления существенно больше, чем при электрооптическом индуцировании Брэгговской решетки. Коэффициент отражения от области волновода с расположенными на поверхности диэлектрическими полосками достигает единицы уже при их числе порядка 10 - 20, что дает для длины области по направлению падающего луча значение 10-20 мкм (в случае электрооптической решетки длина области взаимодействия до сантиметра).

Устройство функционирует следующим образом. На подложке 1 (фиг. 1) расположен планарный волновод 2, излучение 9 в который вводится с помощью призменных элементов связи 7 и распространяется внутри волновода по направлению входящего луча вдоль всей подложки до ее противоположного края, где это излучение должно быть поглощено поглотителем, не показанным на фигуре. Одновременно могут распространяться все входные лучи (по числу входных элементов связи). При подаче через контакт 6 электрического напряжения от внешней управляющей схемы на одну из групп полосок 4, электрически объединенных прокладкой 5, возникает электрическое поле между полосками и проводящим слоем 3 подложки или подложкой 1, если она проводящая. Этот слой (или подложка) должен быть подсоединен к другому полюсу источника напряжения в управляющей схеме. Возникающие пондеромоторные силы притягивают полоски к поверхности волновода вплоть до их контакта с поверхностью. Волновод становится «гофрированным», в нем возникает дифракционная решетка, которая отражает падающее излучение в плоскости волновода в виде моды, соответствующей моде падающего излучения, подобно зеркалу под углом, равным углу падения, в направлении выходного призменного элемента связи 8; вышедшее излучение далее направляют в оптическую линию связи, которую обслуживает коммутатор. Управляющая электронная схема может в произвольном порядке включать коммутирующие элементы, обеспечивая связь между любыми парами оптических входных и выходных линий связи.

На фиг. 2 показаны устройство и фазы работы коммутационной ячейки. Иллюстрируется вариант конструкции ячейки в виде группы полосок, закрепленных каждая отдельно на прокладках 5 двумя концами в виде микробалки. Возможно также консольное закрепление полосок, одним концом. На фигуре полоски двухслойные; нижний ее слой 11 должен быть в этом случае диэлектрическим прозрачным, верхний 12 - проводящий. В исходном состоянии - до подачи управляющего напряжения (фиг. 2а) - полоска располагается с зазором 15 от поверхности волновода 2. При подаче электрического напряжения между прокладками 5 и проводящим слоем 3 (фиг. 2б) полоски изгибаются, прижимаются к поверхности волновода 2, формируя в нем периодическую картину эффективного показателя преломления. На фиг. 2в) показано, что излучение отражается от коммутационной ячейки при прижатых к волноводу полосках, видно, что отраженный пучок имеет ширину больше, чем пучок, падающий на систему полосок.

Полоска может быть и однослойной, в этом случае она должна быть выполнена из прозрачного проводящего вещества, например, из проводящего окисла металла. Полоска может быть металлической зеркально-отражающей: фаза электромагнитной световой волны при отражении от поверхности металла отличается от фазы отраженной от поверхности диэлектрика при полном внутреннем отражении при распространении света по оптическому волноводу.

Группа полосок, как в прототипе, может быть выполнена также по встречно- штыревой схеме: полоски через одну подключаются к разным полюсам источника напряжения, электрическое поле в зазоре в этом случае создается, замыкаясь через подложку, которая может быть как проводящей, так и изолирующей. При этом полоски, соединяемые с одним полюсом источника напряжения, закрепляются на одних прокладках, другие полоски - на других прокладках; возможно введение слоя диэлектрика на прокладках для изоляции части полосок от прокладок.

Определенной технологической проблемой при создании брэгговских решеток для видимого диапазона спектра является обеспечение требующегося значения шага решеток на уровне 0,1-0,2 мкм. Для получения брэгговских решеток используют электронную литографию или голографическую технологию.

Еще большую проблему может вызвать необходимость изготавливать с таким шагом и сохранять взаимное расположение при коммутационных перемещениях механически отделенных друг от друга полосок по настоящему изобретению.

На фиг.3 показан вариант конструкции коммутационной ячейки, в которой все полоски 16 механически скреплены общим основанием 17, который, в свою очередь, закреплен с помощью прокладок 5 на волноводе 2. Такая конструкция позволяет обеспечить неизменное взаимное положение полосок при работе коммутационной ячейки, основание 17 может служить общим для всех полосок данной группы проводящим слоем, позволяющим создать необходимое для работы коммутатора электрическое поле в зазоре.

Быстродействие коммутатора по изобретению определяется временем механического перемещения элементов структуры на расстояние порядка всего половины длины волны света, что позволяет обеспечить уменьшение времени переключения до 10-20 не (от 5 мс для микромеханических аналогов, выпускаемых фирмами).

Для изготовления устройства необходимы обычные для микроэлектроники технологические процессы, том числе, для получения зазора использование жертвенного слоя, нанесения тонкопленочных слоев, фото- или электронная литография, избирательное травление слоев из различных материалов.

В качестве подложки могут быть применены стеклянные или полупроводниковые пластины; планарный волновод может состоять из нескольких слоев с различными показателями преломления, обеспечивающих его волноведущую способность на подложках с большими показателями преломления.

Изложенное описание устройства и функционирования предложенного устройства и его технологии подтверждают, что элементы новизны, представленные в формуле изобретения, обеспечивают решение поставленной задачи.

Устройство может найти применение при создании полностью оптических многоканальных быстродействующих матричных кросскоммутаторов оптических линий связи с улучшенным быстродействием и увеличенным числом переключаемых оптических каналов связи. Их область использования включает в себя функции защиты и подключения периферийных оптоволоконных устройств, а также коммутацию в локальных световодных сетях. Увеличение числа переключаемых каналов с одновременным улучшением быстродействия и экономичности существенно улучшит качество оптических сетей.

Изобретение относится к оптике, к оптическим волноводным устройствам, в частности к микромеханическим оптическим коммутаторам оптических линий связи. Технический результат изобретения заключается в создании устройства матричного коммутатора оптических линий связи, имеющего размеры коммутационных ячеек много меньше, чем у электрооптических коммутаторов, что позволит создавать матричные коммутаторы большой сложности. Оптический коммутатор оптических линий связи содержит на подложке планарный оптический волновод и области формируемого в нем брэгговского зеркала в виде картины периодической пространственной модуляции показателя преломления волновода, создаваемой при помощи группы периодически размещенных поверх волновода электродов в виде пленочных полосок. Пленочные полоски соединены с электрическими контактами, расположенными на коммутаторе. Также оптический коммутатор содержит оптические устройства ввода в волновод и вывода излучения. Отличительной особенностью изобретения является то, что полоски закреплены с зазором над поверхностью планарного волновода с возможностью перемещения с изменением величины зазора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический коммутатор оптических линий связи, содержащий на подложке планарный оптический волновод и области формируемого в нем брэгговского зеркала в виде картины периодической пространственной модуляции показателя преломления волновода, создаваемой при помощи группы периодически размещенных поверх волновода электродов в виде пленочных полосок, соединенных с электрическими контактами, расположенными на коммутаторе, а также оптические устройства ввода в волновод и вывода излучения, отличающийся тем, что полоски закреплены с зазором над поверхностью планарного волновода с возможностью перемещения с изменением величины зазора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полоски закреплены на подложке коммутатора одним или двумя концами непосредственно или через прокладки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полоски прозрачные с показателем преломления не ниже показателя преломления волновода, или металлические, или диэлектрические с зеркальным проводящим слоем.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что полоски группы или их проводящие слои электрически соединены между собой.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка коммутатора проводящая или содержит проводящий слой, соединенный с электрическими контактами, расположенными на коммутаторе.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что диэлектрические полоски в группе механически скреплены между собой.