ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЕ, РЕКОНФИГУРИРУЕМОЕ, ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2024 года по МПК G02B6/12 

Область техники

Изобретение относится к оптическим устройствам фильтрации на основе электронно-фотонных интегральных схем (EPIC), и может использоваться для различных приложений, например, в электронно-фотонных аппаратных (HW) ускорителях, используемых для машинного обучения, в фотонных интерконнектах (оптические межсоединения для центров обработки данных), для различных видов обработки оптических сигналов в телекоммуникационных системах.

Описание предшествующего уровня техники

В уровне техники существует множество оптических устройств фильтрации на основе электронно-фотонных интегральных схем (EPIC), к которым предъявляются основные требования исходя из их применений:

- возможность настройки полосы пропускания с помощью различных средств, например, термическая настройка с помощью регулирования температуры, за счет подведения внешнего напряжения к металлическим контактам, предусмотренным на устройстве, что приводит к модификации оптических свойств устройств фильтрации, или инжекционная настройка с помощью внешнего напряжения, прикладываемого к носителям заряда (электронам или дыркам) в полупроводниковом устройстве, что в свою очередь приводит к модификации оптических свойств устройств фильтрации. Однако термическая или инжекционная настройка требует постоянных энергозатрат для поддержания требуемых настроек.

- энергонезависимость устройств фильтрации, обусловленная способностью устройства сохранять заданную настройку параметров без дополнительных внешних воздействий для ее поддержания.

- компактный форм-фактор (SFF), требуемый для минимизации занимаемой площади перестраиваемого оптического устройства фильтрации на оптическом чипе.

- конструктивное выполнение устройства фильтрации совместимое с представленными на рынке стандартными аппаратными вычислительными средствами (логическими схемами СMOS (комплементарный металло-оксидный полупроводник)), для производства в промышленных масштабах.

С учетом указанных требований, предъявляемых к оптическим устройствам фильтрации, авторы изобретения поставили перед собой задачу создания настраиваемого устройства WDM фильтрации с малыми оптическими потерями и низким энергопотреблением на переключение устройства фильтрации и поддержку функционирования устройства фильтрации.

Известные в уровне техники микрокольцевые резонаторы страдают либо от высоких межканальных перекрестных помех, поскольку сдвиг резонанса вызывает изменение интенсивности соседних каналов, либо от высокого энергопотребления во время работы, вызванного необходимостью применения внешнего воздействия для управления передачей оптических сигналов.

Однако для более четкого понимания недостатков известных оптических фильтров на основе микрокольцевых резонаторов следует остановиться на основных конструктивных принципах формирования резонаторов и происходящих в них процессах. Очень часто такого типы фильтры представляют собой набор волноводов, функционирующих на нескольких длинах волн, в которых по меньшей мере один представляет собой замкнутый контур в виде кольца, оптически связанный c другим волноводом, расположенным рядом с кольцом, который служит в качестве входа и выхода света устройства фильтрации. Следует отметить, что оптическая связь в данном случае осуществляется за счет ближнего электромагнитного поля при малом расстоянии между волноводами (обычно меньшем длины волны излучения). Из-за наличия оптической связи между кольцом и волноводом происходит частичная перекачка энергии в кольцо, которая характеризуется как радиусом кольца, так и коэффициентом связи, который в рамках настоящего изобретения определяется величиной зазора между волноводом, в который подводится излучение, и микрокольцевым резонатором. При этом чем меньше этот зазор, тем выше оптическая связь, т.к. поле вне волновода экспоненциально затухает. Этот эффект частичной перекачки энергии в микрокольцевой резонатор можно использовать, как для пассивной, так и для активной фильтрации. Следует отметить, что работа оптических кольцевых резонаторов основана на интерференции света и его полном внутреннем отражении, когда свет с несколькими несущими длинами волн пропускается через контур кольцевого резонатора из одного волновода (например, первый волновод), интенсивность света увеличивается при многократных обходах и выводится через другой волновод (второй волновод). Поскольку только несколько выбранных длин волн будут находиться в резонансе внутри контура, оптический кольцевой резонатор функционирует как фильтр.

Как правило, в области телекоммуникации используется узкий спектр длин волн и известные на рынке оптические фильтры, использующие волноводы, работают на нескольких длинах волн, расстояние между которыми составляет менее 1 нм, что инициирует возникновение межканальных помех между рабочими каналами. При этом любая модификация оптических характеристик рабочих каналов посредством теплового или инжекционного воздействия, например, увеличение пропускной способности (пропускания(T)) каналов, влечет за собой смещения резонанса, под который попадают и рабочие длины волн (λ),однако регулируя пропускную способность на определенной длине волны требуется сохранить положение резонанса на этой длине волны неизменным, что очень трудно добиться в известных на рынке оптических устройствах фильтрации, работающих в системах телекоммуникации с разделением по длине волны (WDM).

На фиг.1а представлены графики, иллюстрирующие спектры пропускания световых волн при тепловом воздействии на микрокольцевые резонаторы на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами, известные из уровня техники(см. статья: Luan, E., Yu, S., Salmani, M. et al. “Towards a high-density photonic tensor core enabled by intensity-modulated microrings and photonic wire bonding”. Sci Rep 13, 1260 (2023), доступно по cсылке: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27724-y10) (далее как публикация [1]), где по оси Х обозначены длины волн излучения λ, распространяемого по кольцевому резонатору, а по оси Y-пропускание Т. Следует отметить, что параметр T - пропускание характеризует работу фильтра в целом, т.е. это отношение между мощностью пришедшего на фильтр излучения и излучения, которое через фильтр прошло (последнее поделенное на первое). Условно, параметр T представляет собой функцию передачи.

Модификация оптических характеристик телекоммуникационных устройств достигается посредством теплового или инжекционного воздействия в известных микрокольцевых резонаторах, при изменении пропускания. На фиг.1а по оси Y в качестве пропускания Т (дБ) представлены значения 0, -10, -20, которые являются логарифмическими представлениями мощности прошедшего сигнала и соответствуют: 0 дБ на графике эквивалентно 1 мВт лазерной мощности, -10 дБ эквивалентно 0,1 мВт лазерной мощности, -20 дБ эквивалентно 0.01 мВТ. При этом одновременно происходит смещение оптических резонансных линий, как наглядно проиллюстрировано на фиг.1а, вызывая межканальные помехи в системах телекоммуникации, что влияет на интенсивность передачи в соседних спектральных каналах.

На фиг.1b представлены кривые настройки, иллюстрирующие: кривую смещения (Δ) центральной длины волны резонанса (см. кривая в виде линии из точек-соответствует показаниям по оси Y слева) и кривую изменения коэффициента экстинкции (ET extinction ratio), (см. кривую виде линии из точек и крестов - соответствует показаниям по оси Y справа) в зависимости от напряжения(V_IRPH), подаваемого к нагревателю во внутреннем контуре (in-resonator photoconductive heater - IRPH) кольцевого резонатора на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами, известного из уровня техники((см. публикацию [1]). При этом следует отметить, что если рассматриваемый диапазон длин волн составляет 1525,8-1526,8 нм, то в качестве центральной длины волны рассматривается значение 1526,25 нм.

Как наглядно видно из кривых на фиг.1b положение резонансной длины волны можно модифицировать, при этом изменяется коэффициент экстинкции выделенного резонанса, посредством подачи напряжения на внутренний (IRPH) или внешний (ICPH) контуры устройства фильтрации, где под внешним контуром рассматривается контур интерферометра, а под внутренним - резонатор. В данном случае на фиг.1b представлен вариант воздействия напряжения(V_IRPH), подаваемого к нагревателю во внутреннем контуре (in-resonator photoconductive heater - IRPH) кольцевого резонатора.

На фиг.1с представлены графики, иллюстрирующие спектры пропускания световых волн при тепловом воздействии на известные в уровне техники резонаторы (см. публикацию [1]), на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами, где по оси Х обозначены длины волн излучения λ, распространяемого по плечам интерферометра, а по оси Y - пропускание Т. Модификация оптических характеристик телекоммуникационных устройств на основе резонатора в виде микрокольца и внешнего интерферометра достигается посредством теплового или инжекционного воздействия на плечи интерферометра, что вызывает регулирование пропускания с одновременным смещением положения резонанса, как наглядно проиллюстрировано на фиг.1с, вызывая межканальные помехи в телекоммуникационных устройствах, что вызывает изменение интенсивности передачи в соседних спектральных каналах.

На фиг.1d представлены кривые настройки: кривая смещения (Δ) центральной длины волны резонанса (см. кривая в виде линии из точек-соответствует показаниям по оси Y слева) и кривая изменения коэффициента экстинкции (ET extinction ratio), см. кривая виде линии из точек и крестов - соответствует показаниям по оси Y справа) в зависимости от напряжения(V _ICPH), подаваемого к нагревателю во внешнем контуре (in-coupler photoconductive heater - ICPH) микрокольцевого резонатора на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами, известного из уровня техники (см. публикацию [1]).

Как наглядно видно из кривых на фиг.1d излучение на резонансной длине волны можно модифицировать, при этом изменяя смещение резонансной длины волны или коэффициент экстинкции резонанса, посредством подачи напряжения на внешний (ICPH) контур микрокольцевого резонатора на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами.

На фиг.2 представлен вид сверху микрокольцевого резонатора известного из уровня техники (см. публикацию: Chen, R., Fang, Z., Perez, C. et al. Non-volatile electrically programmable integrated photonics with a 5-bit operation. Nat Commun 14, 3465 (2023)). Доступна по ссылке: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39180-3 [2]), с участком, покрытым слоем Sb₂S₃, к резонатору подводится внешнее напряжение, посредством металлических контактов, которые обозначены, как S (сигнал) и G (земля), на области p++ и n++ - области высокого легирования кремния разного типа проводимости (дырками и электронами), и благодаря локальному нагреванию участков резонатора при протекании электрического тока через устройство, происходит перестройка фазового состояния слоя материала Sb₂S₃, что приводит к изменению показателя преломления материала, и как следствие, смещению резонанса, что в свою очередь приводит к модификации оптических свойств устройств фильтрации, но при этом возникают межканальные помехи в соседних каналах.

На фиг.3а представлен вид сверху микрокольцевого резонатора с волноводами известного из уровня техники ((см. публикацию [2]), при этом на участке микрокольцевого резонатора нанесен слой сульфида сурьмы (Sb₂S₃), и металлические контакты. К резонатору подводится внешнее напряжение посредством металлических контактов, выполненных из сплава палладия и титана(Ti/Pd), на области с высоким содержанием носителей заряда: p++ и n++ - области высокого легирования кремния дырками и электронами, и благодаря локальному нагреванию участков резонатора при протекании электрического тока через устройство, происходит перестройка фазового состояния слоя материала Sb₂S₃, что приводит к изменению показателя преломления материала, и как следствие, смещению резонанса, что в свою очередь приводит к модификации оптических свойств устройств фильтрации, но при этом возникают межканальные помехи в соседних каналах. Волноводы снабжены решетками ввода-вывода излучения (grating coupling (GC)). Примеры выполнения подобных решеток раскрыты в публикации: “Grating Couplers on Silicon Photonics: Design Principles, Emerging Trends and Practical Issues”, авторы Lirong Cheng, Simei Mao, Zhi Li, Yaqi Han, H.Y. Fu, Micromachines 2020, 11(7), 666, доступно по ссылке: https://www.mdpi.com/2072-666X/11/7/666.

На фиг.3b представлено увеличенное изображение снимка, полученное микроскопом для реальной структуры с участка микрокольцевого резонатора с фиг.3a (см. публикацию [2]), со слоями Ti/Pd, легированными областями p++ и n++ и слоем Sb₂S₃.

На фиг.4 представлен резонансный профиль для микрокольцевого резонатора известного из уровня техники (см. публикацию [2]) при изменении фазового состояния материала Sb₂S_3, где по оси Х представлена длина волны λ, а по оси Y - нормированное пропускание NT, нормированное к опорному волноводу. Следует уточнить, что нормирование позволяет убрать аппаратные особенности устройства фильтрации, такие как передаточные функции решеток ввода-вывода (GC). Снимается спектр волновода без резонатора, но с аналогичными решетками ввода-вывода, затем этот спектр используют при нормировке. Процесс нормировки детально описан в публикации [2].

Тонкая пленка из материала с фазовым переходом(PCM), в данном случае рассматривается пленка, выполненная из Sb₂S₃, нанесена на участок микрокольцевого резонатора. Свойство PCM материала позволяют регулировать фазовую скорость распространения оптического сигнала в контуре микрокольцевого резонатора, при аморфном состоянии (а) материал имеет один спектральный отклик, см. кривую в виде крестов на фиг.4, а при кристаллическом состоянии (с) - совершенно другой спектральный отклик, сплошная кривая. При этом после переключения из аморфного состояния в кристаллическое (и наоборот) пленка из PCM материала сохраняет это состояние и не требует дополнительной энергии для его поддержания. Как видно на фиг.4, свободный спектральный отклик (FSR) составляет 2,42 нм, а вносимые потери 0,024 дБ/мкм, смещение резонанса dλ составляет 0,394 нм. Вносимые потери показывают уменьшение коэффициента экстинкции для резонанса (по сути, глубину провала) при переключении фазового состояния материала на кольце. Из-за того, что в кристаллическом состоянии материал Sb2S3 поглощает чуть больше излучения, чем в аморфном состоянии, появляется этот эффект. Следует отметить, что изменение фазовой скорости связано с изменением действительной части показателя преломления материала, а изменение экстинкции связано с изменением мнимой части показателя преломления (т.е. описанного выше поглощения). FSR на фиг.4 показывает расстояние между двумя соседними резонансными линиями для конкретного устройства (которые соответствуют двум соседним азимутальным модам микрокольцевого резонатора, определяемым его радиусом и эффективным показателем преломления для оптической моды, которая распространяется в нем).

Таким образом конфигурация микрокольцевого резонатора на основании материала с фазовым переходом, обеспечивает энергонезависимость устройства, поскольку не требуется дополнительного внешнего воздействия на резонатор для поддержания заданного состояния, но сопровождается перекрестными помехами из-за спектрального смещения резонанса.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является техническое решение известное из международной публикации WO 2022155721A1, IPC G02B 6/125, опубл. 22.07.2022 г., в котором раскрыто реконфигурируемое фотонное устройство, используемое для фильтрации и способ модуляции интенсивности в фотонной вычислительной системе на основе интерферометрической связи. Фотонное устройство содержит первый и второй волноводы, и, расположенный между ними, настраиваемый микрокольцевой резонатор (MRR), выполненный в виде контура волноводов. Причем первый и второй волноводы оптически связаны через кольцо резонатора. При этом каждый из первого и второго волноводов образуют симметричные интерферометрические плечи (интерферометры Маха-Цендера (MZI)). Указанное фотонное устройство предназначено для регулирования модуляции оптического сигнала с помощью элементов управления, основанных на принципах термомодуляции. При этом в фотонном устройстве передачу оптических сигналов можно модулировать с помощью настраиваемых волноводных элементов (MRR, MZI), изменяя фазовую скорость световой волны в волноводе за счет термооптического изменения показателя преломления материала волновода, посредством наличия металлического нагревателя, на участке одного из волноводов или добавления области PN легирования путем настройки плотности носителей. Такая конфигурация устройства позволяет изменять величину пропускания оптического сигнала через волноводы на нескольких длинах волн без смещения резонанса, приводящего к межканальными помехам. Однако такая конфигурация устройства требует постоянных значительных энергозатрат для поддержания требуемых оптических характеристик устройства, поскольку при прекращении внешнего термического воздействия на заданные участки волновода оптические характеристики устройства вернутся в исходное состояние.

Из уровня техники, см. патентную заявку CN113657580A, IPC G06N 3/045, опубл. 16.11.2021 г., известен фотонный аппаратный ускоритель сверхточной нейронной сети на основе микрокольцевого резонатора и энергонезависимого материала с фазовым переходом. Микрокольцевой резонатор содержит кольцевой резонатор и волноводы. При этом на участок микрокольцевого резонатора наносится тонкий слой материала с фазовым переходом(PCM) из группы халькогенидных стекол, в данном случае GST материал (GeSbTe (германий-сурьма-теллур). Свойство PCM материала позволяют регулировать скорость распространения оптического сигнала в контуре волноводов, посредством изменения спектрального отклика сигналов в зависимости от текущего состояния PCM материала, при аморфном состоянии материал имеет один спектральный отклик, а при кристаллическом состоянии - совершенно другой. Наличие двух стабильных состояний (аморфное/кристаллическое) PCM материала обуславливает контролирование величины пропускания оптического сигнала в волноводе путем изменения состояния материала на кристаллическое или аморфное. Однако наличие PCM материала приводит к значительному поглощению оптического сигнала внутри волновода и вызывает резонансный спектральный сдвиг при настройке модулятора, что в свою очередь вызывает межканальные перекрестные помехи и снижает производительность в системах с плотным мультиплекcированием с разделением по длине волны (DWDM).

Таким образом, для устранения всех вышеуказанных недостатков известных из уровня техники оптических устройств, предназначенных для фильтрации излучения, авторы создали энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации и способ его настройки, в котором обеспечиваются низкие межканальные помехи и низкое энергопотребление для выполнения спектральной настройки устройства при его неоднократном использовании. Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации согласно изобретению выполнено таким образом, что обеспечивает независимое управление резонансом в интерферометрических плечах волноводов и микрокольцевом резонаторе, тем самым обеспечивая возможность изменить амплитуду сигнала без смещения резонансных линий в спектре устройства фильтрации.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту изобретения предлагается энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, содержащее, расположенные на подложке:

микрокольцевой резонатор, содержащий по меньшей мере одну секцию, покрытую слоем из материала с фазовым переходом (секцию РСМ), и расположенную на по меньшей мере части микрокольцевого резонатора,

первый и второй волноводы, выполненные с возможностью ввода и вывода оптического излучения, при этом каждый, из первого и второго волноводов содержит соответствующие первое и второе интерферометрическое плечо, и по меньшей мере одну секцию, покрытую слоем из материала с фазовым переходом (секцию РСМ), расположенную на по меньшей мере части первого и второго интерферометрического плеча,

при этом микрокольцевой резонатор расположен между первым и вторым волноводом, и каждое, из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, расположено таким образом, что имеет по меньшей мере две области, расположенные в непосредственной близости с микрокольцевым резонатором, для обеспечения оптической связи между каждым первым и вторым интерферометрическим плечом соответствующего первого и второго волноводов и микрокольцевым резонатором,

при этом микрокольцевой резонатор и каждое из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, выполнены таким образом, что фазы излучения в каждом из первого и второго интерферометрических плеч и в микрокольцевом резонаторе являются оптически согласованными для предварительно определенной длины волны, так, что фаза излучения, прошедшего, через каждое из первого и второго интерферометрических плеч совпадает с кратностью 2πn, где n - целое число, с фазой излучения, прошедшего через область микрокольцевого резонатора между соответствующими областями оптической связи с соответствующим интерференционным плечом,

при этом каждая, из секций РСМ, расположенная на соответствующем первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевого резонатора предварительно выполнена с возможностью обеспечения предварительно определенного эффективного показателя преломления для излучения на предварительно определенной длине волны для последующего обеспечения сдвига резонанса и/или изменения амплитуды оптического излучения на предварительно определенной длине волны, распространяемого в соответствующем волноводе,

при этом величина предварительно определенных эффективных показателей преломления для излучения на предварительно определенной длине волны каждой из секций РСМ, расположенных на каждом, из первого и второго интерферометрического плеча первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевом резонаторе равны или отличаются друг от друга.

Заявленное устройство дополнительно содержит по меньшей мере один внешний источник излучения, выполненный с возможностью формирования исходного непрерывного когерентного электромагнитного излучения с длиной волны оптического диапазона.

При этом указанный источник излучения представляет собой импульсный лазер и выполнен с возможностью формирования импульсного исходного излучения для закачки в по меньшей мере один из первого волновода и второго волновода.

Кроме того, источник излучения выполнен с возможностью формирования исходного пучка излучения, представляющего собой один из: непрерывного когерентного пучка излучения, непрерывного частично-когерентного пучка излучения, импульсного когерентного пучка излучения, импульсного частично-когерентного пучка излучения.

В заявленном устройстве фильтрации каждое, из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волновода, соответственно, и части микрокольцевого резонатора между областями оптической связи с этими волноводами представляют собой интерферометры Маха-Цендера.

При этом в устройстве фильтрации предварительно определенная или выделенная длина волны излучения выбирается из условия получения заданного спектрального отклика устройства фильтрации, обусловленного положением резонанса в спектре для указанной предварительно определенной длины волны излучения.

Кроме того, устройство фильтрации дополнительно содержит по меньшей мере один детектор, выполненный с возможностью измерения мощности оптического сигнала, на входе или выходе из первого и второго волноводов, при этом детектор представляет собой один из: PIN фотодетектор, лавинный фотодетектор, выполненный на основе кремния-германия или на основе сплавов материалов 3-5 группы.

Подложка, на которой расположены элементы устройства фильтрации представляет собой структуру из слоев кремния и оксида кремния.

Устройство фильтрации согласно изобретению дополнительно содержит по меньшей мере один локальный PIN термонагреватель, выполненный с возможностью предварительного индивидуального регулирования фазового состояния каждой из по меньшей мере одной секции РСМ, причем каждый, из по меньшей мере одного PIN термонагревателя, содержит соответствующий источник напряжения, соединенный двумя электрическими контактами с легированными областями (p++ и n++), расположенными в слое кремния на подложке на предварительно заданном расстоянии от каждого из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора с соответствующими секциями РСМ с возможностью обеспечения нагревания по меньшей мере части каждой из секций РСМ для обеспечения предварительно заданного фазового состояния.

При этом электрические контакты расположены на предварительно заданном расстоянии, которое может быть равно 200нм, от первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора, так чтобы не вносить потери в излучение, распространяемое в волноводах.

Кроме того, электрические контакты имеют площадь контактирования, которая позволяет обеспечить подвод напряжения от источника напряжения к легированным областям (p++ и n++).

Следует отметить, что локальный PIN термонагреватель дополнительно содержит электрический зонд для подвода напряжения к каждому из электрических контактов.

В устройстве фильтрации каждая из секций РСМ может быть выполнена из: материала с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол группы GSST (германий-сурьма-селен-теллур (GeSbSeTe), материала с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол группы GST (германий-сурьма-теллур(GeSbTe)), материала, представляющего собой соединение Sb₂Se₃, материала, представляющего собой соединение Sb₂S_3,

материала с фазовым переходом II рода из группы ВТО, представляющего собой титанат бария.

В заявленном устройстве фильтрации, каждая, из по меньшей мере одной секции РСМ, расположенная на соответствующем первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волновода, предварительно выполнена так, что обеспечивает спектральный сдвиг резонанса и изменение его амплитуды, и каждая, из по меньшей мере одной секции РСМ, расположенная на микрокольцевом резонаторе, обеспечивает спектральный сдвиг резонанса.

Кроме того, в устройстве фильтрации каждая, из по меньшей мере одной секции РСМ на соответствующем первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевом резонаторе, предварительно выполнена таким образом, что спектральные сдвиги резонанса, обеспечиваемые в секциях РСМ первого и второго интерферометрического плеч взаимно компенсируется соответствующими спектральными сдвигами, обеспечиваемыми в секциях РСМ микрокольцевого резонатора, что обуславливает изменение амплитуды резонанса при сохранении неизменным его положения на предварительно определенной длине волны излучения, распространяемого по устройству фильтрации.

При этом, по меньшей мере одна секция РСМ может быть выполнена в виде сплошного, непрерывного слоя материала с фазовым переходом или выполнена в виде структурированного слоя заданной или произвольной формы, при этом указанный структурированный слой состоит из по меньшей мере двух участков из материала с фазовым переходом и представляет собой форму круга, овала или эллипса, при этом участки из материала с фазовым переходом расположены заданным структурированным образом, а промежуточные участки между участками из материала с фазовым переходом представляют собой участки непокрытые слоем материала с фазовым переходом.

Устройство фильтрации согласно изобретению, дополнительно содержит блок управления, выполненный с возможностью управления по меньшей мере одним источником излучения, по меньшей мере одним источником напряжения и по меньшей мере одним детектором.

В устройстве фильтрации первый и второй волноводы представляют собой одномодовые гребневые волноводы или полосковые волноводы, а микрокольцевой резонатор представляет собой замкнутый в виде кольца волновод.

Следует отметить, что в заявленном устройстве фильтрации, радиус изгиба первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, в непосредственной близости с областями расположения микрокольцевого резонатора выбираются с учетом обеспечения компактности устройства фильтрации и минимизации потерь излучения при прохождении излучения через первое и второе интерферометрические плечи, соответственно.

Согласно второму аспекту изобретения предложен способ настройки энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации согласно первому аспекту изобретения, содержащий следующие этапы:

- обеспечивают индивидуальную настройку каждой из секций РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, для этого выполняют следующие этапы:

выполняют тепловое воздействие на каждую из секций РСМ, для изменения фазового состояния по меньшей мере одного участка секций РСМ с обеспечением предварительно заданной частичной кристаллизации по меньшей мере одного участка секций РСМ, которая обуславливает заданное изменение эффективного показателя преломления для излучения на предварительной заданной длине волны, распространяемого в указанной секции РСМ,

при этом фазовое состояние по меньшей мере одного участка секций РСМ определяется коэффициентом α, показывающим пропорцию кристаллической и аморфной фаз в по меньшей мере одном участке секции PCM, который определяется из соотношения α=ν_а/(ν_а+ν_с),

где ν_а - объем аморфной фазы, ν_с - объем кристаллической фазы на участке секции РСМ,

при этом индивидуальная настройка каждой, из секций РСМ, расположенной на первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевого резонатора выполняется с возможностью обеспечения предварительно определенного эффективного показателя преломления для излучения на предварительно определенной длине волны для последующего обеспечения сдвига резонанса и/или изменения амплитуды оптического излучения на предварительно определенной длине волны, распространяемого в соответствующем волноводе.

В заявленном способе настройки, изменение эффективного показателя преломления для излучения на предварительной заданной длине волны, распространяемого в указанной секции РСМ, обуславливает последующее изменения фазовой скорости распространения оптического сигнала в зависимости от фазового состояния по меньшей мере одного участка соответствующей секции РСМ.

В заявленном способе тепловое воздействия на каждую секцию РСМ выполняют посредством подведения предварительного заданного напряжения к легированным областям с двумя электрическими контактами соответствующего локального PIN нагревателя для обеспечения нагревания соответствующей секции РСМ, которая обуславливает процесс частичной кристаллизации секции РСМ.

При этом указанное тепловое воздействие на каждую секцию РСМ первого и второго реконфигурируемых плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора осуществляется одновременно или в различные моменты времени.

В заявленном способе подают напряжение к легированным областям с двумя электрическими контактами соответствующего локального PIN нагревателя для заданной секции РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч в диапазоне от 1 В до 10 В, с длительностью от 500 нс до 100 мс, со скважностью между электрическими импульсами, составляющей 1 с.

В заявленном способе, перед этапом индивидуальной настройки каждой из секций РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, осуществляют калибровку устройства фильтрации, для этого получают данные, характеризующие зависимости степени кристаллизации каждой из секций РСМ от параметров теплового воздействия на секции РСМ.

Кроме того, в заявленном способе предварительно выбирают заданный уровень пропускания устройства фильтрации для излучения на предварительно определенной длине волны, на которой работает микрокольцевой резонатор и первое и второе интерферометрические плечи первого и второго волноводов, соответственно, с соответствующими секциями РСМ, для последующей настройки каждой из секций РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно.

В заявленном способе настройки секции РСМ первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевого резонатора располагают таким образом, чтобы обеспечить их температурную изоляцию друг от друга при изменении фазового состояния каждого из них для исключения помех, обусловленных тепловым воздействием на по меньшей мере одну из секций РСМ.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг. 1a - представлены графики, иллюстрирующие спектры пропускания световых волн при тепловом воздействии на микрокольцевые резонаторы на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами, известные из уровня техники.

Фиг. 1b - представлены кривые настройки, иллюстрирующие: кривую смещения (Δ) центральной длины волны резонанса и кривую изменения коэффициента экстинкции в зависимости от напряжения(V_IRPH), подаваемого к нагревателю во внутреннем контуре (IRPH) кольцевого резонатора на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами, известного из уровня техники.

Фиг. 1c - представлены графики, иллюстрирующие спектры пропускания резонансных волн при тепловом воздействии с помощью нагревателя во внешнем контуре (in-coupler photoconductive heater - ICPH) кольцевого резонатора на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами известного из уровня техники.

Фиг. 1d - представлены кривые настройки, иллюстрирующие: кривую смещения (Δ) центральной длины волны резонанса и кривую изменения коэффициента экстинкции в зависимости от напряжения(V_IСPH), подаваемого к нагревателю во внешнем контуре (IСPH) кольцевого резонатора на основании конфигурации интерферометра с нижним и верхним интерферометрическими плечами согласно известному уровню техники.

Фиг. 2 - представлен вид сверху микрокольцевого резонатора, с участком, покрытым слоем сульфида сурьмы Sb₂S₃ согласно известному уровню техники.

Фиг. 3а - представлен вид сверху микрокольцевого резонатора с волноводами, при этом на участке микрокольцевого резонатора нанесен слой сульфида сурьмы (Sb₂S₃), и металлические контакты нагревателя согласно известному уровню техники.

Фиг. 3b - представлен вид сверху микрокольцевого резонатора с волноводами, при этом на участке микрокольцевого резонатора нанесен слой сульфида сурьмы (Sb₂S₃), и металлические контакты нагревателя согласно известному уровню техники.

На фиг.4 - представлен резонансный профиль для микрокольцевого резонатора согласно известному уровню техники при изменении фазового состояния материала Sb₂S₃.

Фиг. 5а - схематично представлен вид сверху энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации согласно одному варианту реализации заявленного изобретения.

Фиг. 5b - представлен вид в поперечном сечении слоев, составляющих секцию PCM микрокольцевого резонатора согласно одному варианту реализации изобретения.

Фиг. 6а - представлен график, иллюстрирующий зависимость пропускания оптического сигнала от фазового состояния PCM материала (Sb₂S₃) в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации согласно одному варианту реализации изобретения.

Фиг. 6b - схематично проиллюстрировано аморфное (а- Sb₂S₃) и кристаллическое (с- Sb₂S₃) состояния секции PCM, после температурного воздействия на секции PCM в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации согласно одному варианту реализации изобретения.

Фиг. 7а - представлен вид сверху энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации с локальным PIN микронагревателем согласно заявленному изобретению.

Фиг.7b - представлено поперечное сечение области секции PCM и прилегающих областей с фиг.7а.

Фиг.7с - представлено поперечное сечение подложки и области секции РСМ с прилегающими областями.

Фиг. 8a - представлен вид сверху микрокольцевого резонатора с секциями РСМ в виде сплошного, непрерывного слоя материала с фазовым переходом согласно заявленному изобретению.

Фиг. 8b - представлен вид сверху микрокольцевого резонатора с секциями РСМ в виде структурированного слоя материала с фазовым переходом в форме кругов согласно заявленному изобретению.

Фиг. 9а - представлено изображение амплитуды электрического поля волны в поперечном сечении волновода с секцией PCM, выполненной из соединения Sb₂S₃ в аморфном состоянии согласно изобретению.

Фиг. 9b - представлено изображение амплитуды электрического поля волны в поперечном сечении волновода с секцией PCM, выполненной из соединения Sb₂S₃ в кристаллическом состоянии согласно изобретению.

Фиг. 10 - представлены кривые, иллюстрирующие зависимость пропускания излучения на выделенной длине волны 1545 нм, проходящего через реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации согласно изобретению от фазового состояния материала, т.е. пропорции (α) между кристаллическим и аморфным состоянием PCM материала.

Фиг.11а - схематично представлено энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации содержащее расположенные на подложке и оптически связанные с друг другом два эллиптических волноводных резонатора (R1, R2).

Фиг.11b - схематично представлено энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации содержащее расположенные на подложке и оптически связанные друг с другом три эллиптических волноводных резонатора (R3, R4, R5).

Фиг.11с - схематично представлено энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации содержащее, расположенные на подложке и оптически связанные друг с другом, два эллиптических и один кольцевой волноводные резонаторы R6, R7, R8.

Фиг.12а - представлен резонансный профиль для устройства фильтрации, содержащего микрокольцевой резонатор и интерферометрические плечи (MRR+MZI) согласно известному уровню техники.

Фиг.12b - представлен резонансный профиль для устройства фильтрации, использующего эллиптические резонаторы, согласно известному уровню техники.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Все документы, упомянутые в этой заявке, являются неотъемлемой частью описания заявки, т.е. их раскрытия являются полностью включенными в настоящее описание заявки путем ссылки.

Ссылки на элементы в единственном числе следует понимать включающими элементы во множественном числе и наоборот, если иное явно неоговорено или ясно не следует из контекста.

В этой заявке изложение пределов значений не предполагается ограничивающим, а предполагается относящимся индивидуально к любому и всем значениям, попадающим в пределы, если в этой заявке не указано иное, а каждое отдельное значение в таких пределах включается в описание изобретения, как если бы оно было индивидуально приведено в этой заявке.

Использование конкретных составов композиций материалов, используемых при изготовлении конструктивных элементов, являющихся составной частью заявленного изобретения, не ограничивается представленными примерами, а допускает использование любых других композиций с аналогичными свойствами известными для специалистов в данной области техники.

Слова «около», «приблизительно» или подобные при численном значении специалисту в данной области техники следует понимать, как показывающие отклонение, при котором обеспечивается удовлетворительная работа в предполагаемой области применения. Аналогично этому, слова, относящиеся к приближенному значению, такие как «приблизительно» или «по существу», при использовании относительно физических характеристик специалисту в данной области техники следует понимать, как выражающие пределы отклонения, при которых обеспечивается удовлетворительная работа в случае соответствующего использования, функционирования, целевого назначения или чего-либо подобного.

Пределы значений и/или числовых значений приводятся в этой заявке только для примера и не накладывают ограничений на объем описанных вариантов осуществления. Когда пределы значений приводятся, они предполагаются включающими каждое значение в пределах, как если бы оно было представлено индивидуально, однако если иное особо не оговорено. Использование любого или всех примеров, или вводного слова перед примером («например», «такой как» или подобного), приводимого в этой заявке, предназначено только для лучшего освещения вариантов осуществления и не является ограничением объема вариантов осуществления. Никакую формулировку в описании не следует толковать как показывающую какой-либо незаявленный элемент существенным при практическом применении вариантов осуществления.

В рамках настоящего изобретения будут использоваться следующие понятия и термины, толкование которых предоставляется ниже авторами изобретения:

Микрокольцевой резонатор - замкнутый в виде кольца волновод, который характеризуется радиусом скругления, определяющим резонансные длины волн резонатора (так называемые азимутальные моды). Радиус скругления резонатора составляет от единиц до десятка микрометров, что обуславливает название резонатора, как микрокольцевой.

Интерферометрическое плечо - в рамках настоящего описания представляет собой участок волновода, который оптически связан с микрокольцевым резонатором в двух областях для внесения дополнительной линии задержки в проходящее излучение. Интерференция между излучением в кольце и интерференционном плече позволяет управлять как глубиной оптического резонанса фильтра, так и его спектральным положением.

Интерферометр Маха-Цендера-представляет собой интерферометр, состоящий из светоделителя (либо прямой волноводный соединитель, либо Y-разветвитель) на входе, двух интерференционных плеч в виде прямых или изогнутых волноводов, а также выходного светоделителя. Указанная конструкция интерферометра представлена в качестве одного из множества возможных вариантов известных из уровня техники. В рамках настоящего изобретения в качестве одного плеча выступает часть микрокольцевого резонатора между областями оптического контакта между указанным резонатором и интерференционным плечом, при этом свет между плечами делится как раз в области оптической связи.

Локальный термонагреватель (далее как локальный PIN микронагреватель) включает в себя внешний источник напряжения, электрические контакты и соответствующие области легирования в слое кремния. Примерная конструкция локального PIN микронагревателя раскрыта в публикации, доступной по ссылке:

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-8-13673&id=471268П-П

Волновод - в рамках настоящего изобретения рассматриваются Rib волноводы (одномодовые гребенчатые волноводы) или полосковые волноводы. В поперечном сечении они представляют собой сплошную пластинку из кремния или другого материала с высоким показателем преломления, на которой вытралена область прямоугольного сечения, в центре которой распространяется оптическое излучение.

Связанная мода и волноводная мода, в данном описании эти понятия рассматриваются, по сути, как синонимы. Волноводная мода представляет конфигурацию электромагнитного поля (электромагнитные колебания) в волноводе, которая является собственным решением уравнений Максвелла для данной геометрии и почти без потерь распространяется в таком волноводе (таких мод может быть много, но чаще всего работают в одномодовом режиме). Большая часть электромагнитной энергии такой моды сосредоточена в центре волновода (в сердцевине), отсюда название связанная мода.

Выделенная длина волны (предварительно определенная длина волны)-в рамках настоящего изобретения рассматривается длина волны оптического излучения, соответствующая возбуждению резонанса в устройстве фильтрации. В рамках настоящего описания понятие выделенная длины волны и предварительно определенная длина волны являются взаимозаменяемыми понятиями.

Резонансная длина волны - в рамках данного изобретения это положение провала в спектре пропускания фильтра, который отвечает возбуждению одной из азимутальных мод в микрокольцевом резонаторе.

Фаза излучения - это характеристика электромагнитной волны (наряду с амплитудой), которая определяет, как колеблется поле этой волны в каждой точке пространства при ее распространении.

Подложка - это объемный слой какого-то материала в рамках настоящего раскрытия это кремний, но может быть и другой материал, на котором расположено устройство.

Чип представляет собой микросхему (само устройство, какие-то контакты к нему, если они есть, подложка, на котором это все расположено).

В рамках настоящего описания понятие подложка и чип являются взаимозаменяемыми понятиями.

Рабочий слой кремния - верхний слой кремния в структуре типа «кремний-на-изоляторе» (silicon-on-insulator, SOI), толщиной в несколько сотен нанометров, из которого изготавливается интегральное оптическое устройство путем реактивного ионного травления через специально подготовленную резистивную маску.

Заявленное энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации представляет собой мультирезонансный фильтр с PCM секциями для настройки оптических характеристик устройства.

Ключевое положение 1

В энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации предусмотрена настройка спектрального отклика. Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации согласно изобретению, состоит из микрокольцевого резонатора(MRR) и по меньшей мере двух интерферометрических плеч (MZI) (например, интерферометр Маха-Цендера) с использованием участков секций PCM материала с фазовым переходом (далее, как секция PCM), нанесенного на предварительно определенные участки MRR и MZI. Такая конструкция фильтра обеспечивает низкие межканальные помехи и низкое энергопотребление для выполнения спектральной настройки при неоднократном использовании устройства фильтрации.

Ключевое положение 2

В заявленном энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации предусмотрено наличие нескольких независимых PCM секций для управления амплитудой и положением резонанса.

Множество PCM секций позволяет осуществить независимое управление резонансом в интерферометрических плечах конфигурации интерферометра Маха-Цендера, тем самым обеспечивая возможность изменить амплитуду сигнала без смещения линий спектра в устройстве фильтрации.

Далее рассмотрим условную конфигурацию заявленного энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации согласно изобретению, со ссылкой на фиг.5a, где представлен вид сверху энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации, содержащий:

Первый волновод 1,

Второй волновод 2,

Микрокольцевой резонатор 3, имеющий две секции, покрытые слоем материала с фазовым переходом (далее, как секции PCM_3а, PCM_3b), и расположенный между первым и вторым волноводами 1, 2.

При этом противолежащие участки (отрезки) 1а и 2а волноводов, расположенные в зоне расположения резонатора 3, повторяют форму кольцевого резонатора, и образуют первое 1а и второе 2а интерферометрическое плечо на основании конфигурации интерферометра Маха-Цендера. Радиус изгиба интерферометрических плеч 1a, 2a в области расположения микрокольцевого резонатора 3 выбираются с учетом обеспечения компактности устройства фильтрации и минимизации потерь излучения при прохождении излучения через интерферометрические плечи 1а и 2а. При этом устройство фильтрации выполнено таким образом, что фазы излучения в интерферометрических плечах 1a, 2a и в микрокольцевом резонаторе 3 должны быть согласованы, т.е. фаза излучения на требуемой резонансной длине волны, прошедшего, например, через плечо 1а, должна совпадать с кратностью 2πn (где n - целое число) с фазой излучения, прошедшего через область микрокольцевого резонатора 3 между точками оптической связи (далее, как области оптической связи) с данным интерференционным плечом.

При этом каждое из первого и второго интерферометрического плеч 1а, 2а имеет участок, представляющий собой секцию PCM (обозначено как, PCM₁ и PCM_2, соответственно). Каждое интерферометрическое плечо 1а, 2а расположено таким образом, что имеет по меньшей мере две области, расположенные в непосредственной близости с микрокольцевым резонатором 3, для обеспечения оптической связи между плечами 1а, 2а и резонатором 3 за счет ближнего электромагнитного поля проходящей волны.

На фиг.5b представлен вид в поперечном сечении микрокольцевого резонатора в секциях PCM.

Волноводы 1 и 2 представляют собой одномодовые гребневые волноводы или полосковые волноводы, выполненные из кремния или нитрида кремния или из любых известных из уровня техники материалов, используемых для производства волноводов (на фиг.5b представлен вариант на кремниевой подложке с промежуточным слоем SiO₂). Участки волноводов, образующие интерферометрические плечи 1а, 2а, имеют секции PCM₁ и PCM₂, соответственно, представляющие собой слой материала с фазовым переходом(PCM) из группы халькогенидных стекол из семейства GSST или других материалов с фазовым переходом, в данном случае на фиг.5b представлен пример секции PCM микрокольцевого резонатора 3 из материала Sb₂S₃, но могут быть и другие материалы, например Sb₂Se₃. Структура интерферометрических плеч 1а, 2а и микрокольцевого резонатора 3 в области секций PCM сверху покрыта защитным (пассивирующим) слоем из Al₂O_3, выполняющим защитную функцию для секций PCM₁ и PCM₂ интерферометрических плеч 1а, 2а и секций PCM_3а, PCM_3b микрокольцевого резонатора 3.

Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации согласно изобретению может быть интегрировано в любое оптико-электронное устройство на основе электронно-фотонных интегральных схем(EPIC) и т.д., а может функционировать автономно, как независимое устройство, поэтому источник излучения, используемый для закачки в контур волновода предполагается внешним, и в качестве него могут выступать непрерывные или импульсные источники излучения. При этом излучение может быть введено, как в волновод 1, так и в волновод 2 обычными средствами доставки излучения на чип или подложку (волоконная торцевая связь, дифракционная решетка ввода-вывода и т.п.).

Кроме того, в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации также предусмотрено наличие детекторов для измерения оптического сигнала, на входе или выходе из контура волноводов, которые могут размещаться вне устройства. Они могут быть размещены на том же чипе, что и устройство фильтрации, а могут быть полностью внешними. В качестве детекторов могут использоваться PIN фотодетекторы или лавинные фотодетекторы как на основе кремния-германия, так и на основе других материалов, например, из сплавов материалов 3-5 группы. Поскольку на одном чипе вместе с устройством фильтрации могут размещаться несколько оптико-электронных устройств, соединенных последовательно, поэтому, входы и выходы волноводов 1 и 2 не обязательно идут к источнику излучения и детектору, непосредственно, на них могут замыкаться другие устройства.

Следует отметить, что настройка энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации происходит до начала передачи данных. Важным условием для работы устройства фильтрации является, чтобы излучение, которое будет проходить по структуре, не превышало порог мощности, при котором происходит ее необратимое разрушение.

Далее более детально опишем Ключевое положение 1.

Авторы изобретения включили в энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, содержащего контур волноводов (первый и второй волноводы 1, 2), включающего интерферометрические плечи 1а, 2а, а также в микрокольцевой резонатор 3, секции со слоем материала с фазовым переходом (далее как секции РСМ), что позволило независимо настраивать или регулировать спектральный отклик в каждом из интерферометрических плеч и в микрокольцевом резонаторе, в зависимости от заданных требований к пропусканию в каждом из указанных участков.

Свойства PCM материала позволяют регулировать скорость распространения оптического сигнала в контуре волноводов, посредством изменения спектрального отклика сигналов в зависимости от текущего состояния PCM материала, при аморфном состоянии материал имеет один спектральный отклик, а при кристаллическом состоянии - другой спектральный отклик. Наличие двух стабильных состояний (аморфное/кристаллическое) PCM материала обуславливает контролирование фазы и, как следствие, резонансных условий для оптического сигнала в волноводе путем изменения состояния материала на кристаллическое или аморфное.

В заявленном энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации участки волноводов вблизи области расположения секций РСМ соединены электрическими контактами для локального нагрева и кристаллизации/аморфизации указанных секций PCM на интерферометрических плечах и в микрокольцевом резонаторе и для управления в них резонансом, ранее для управления фильтрами на основе микрокольцевых резонаторов на основе интерферометрии использовалась непрерывная термическая настройка секций волновода.

Для реализации процесса фазового перехода на по меньшей мере одном участке секции PCM выполняются следующие этапы:

1) Исходное состояние материала с фазовым переходом в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации является аморфным, что достигается коротким и интенсивным электрическим импульсом с напряжением в диапазоне от 1 до 10 В и длительностью порядка 500 нс через электрические контакты - импульсом сброса(Reset), при котором участок секции PCM полностью переводится в аморфное состояние. Таким образом при приложении к участку волновода с секцией РСМ материала электрического импульса с напряжением порядка 10 В обеспечивается быстрое нагревание секции PCM выше температуры плавления с последующим быстрым охлаждением и застыванием секции PCM в аморфном состоянии.

2) Затем путем подачи последовательности электрических импульсов в диапазоне от 1В до 10В с различной длительностью, составляющей около 100 мкс, и скважностью до 1 с между импульсами (импульсы установки (Set)) происходит постепенная перестройка фазового состояния участка PCM (представленные значения напряжения приведены в качестве примера и не ограничиваются представленным диапазоном, поскольку указанные значения напряжения, прикладываемые к PIN нагревателю вблизи секции с фазовым материалом зависят от множества факторов и могут варьироваться от типа фазового материала, геометрии устройства и других параметров). Секция РСМ нагревается выше температуры стеклования, но ниже точки плавления, что обуславливает процесс частичной кристаллизации секции PCM.

3) Эффективный показатель преломления секции PCM в кристаллическом и аморфном состояниях различен, поэтому такой процесс вызывает постепенное изменение оптического отклика (за счет введения фазового сдвига в оптический сигнал). На фиг.9а и 9b проиллюстрированы эффективные показатели преломления для распространяющейся волноводной моды при кристаллическом и аморфном состоянии секции РСМ. Эффективный показатель преломления моды, распространяемой в сердцевине волновода, можно регулировать путем частичного переключения секции РСМ из аморфного (фиг.9а) в кристаллическое (фиг.9b) состояния (и наоборот). Эффективный показатель преломления моды в волноводе для кристаллического и аморфного состояний PCM материала изменяется примерно на 1%, вызывая сдвиг резонанса фильтра. Для аморфного состояния действительная часть эффективного показателя преломления n_eff=2,636 (см. фиг.9а), а для кристаллического состояния n_eff=2,660 (см. фиг.9b). В качестве примера можно рассчитать дополнительный фазовый набег, который в одной секции PCM получается при полном переключении из кристаллического состояния в аморфное. Разница эффективных показателей преломления для волноводной моды при кристаллическом и аморфном состоянии PCM составляет 0.024, если взять секцию длиной, например, 5 мкм, то дополнительный фазовый набег будет равен примерно 0.16π.

4) После настройки состояние секции PCM фиксируется и может поддерживаться без дополнительного энергопотребления, что позволяет повысить энергоэффективность энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации с возможностью его повторного использования.

На графике фиг. 6а проиллюстрировано регулирование пропускания сигнала в устройстве фильтрации, при использовании в секции PCM Sb₂S₃ в зависимости от фазового состояния PCM материала, аморфного или кристаллического.

По оси X обозначен коэффициент (α%), показывающий пропорцию кристаллической и аморфной фаз в секции PCM (соотношение по объему), по оси Y показано Т (пропускание) сигнала на балансном фотодетекторе (условные единицы (у.е.)) в зависимости от фазового состояния PCM материала. Следует отметить, что в данном случае под балансным фотодетектором понимаются два детектора, один из которых расположен на выходе волновода 2 (cм. фиг.7а, «Выход излучения» справа), а второй - на входе волновода 1 (см. фиг.7а «Выход излучения» слева), при этом детектируемый сигнал является результатом вычитания сигналов с этих двух детекторов.

На схеме 6b проиллюстрировано аморфное (а- Sb₂S₃) и кристаллическое (с- Sb₂S₃)состояния секции PCM материала, после температурного воздействия на секции PCM материала, где коэффициент(α)секции PCM материала равен следующему соотношению

α=ν_а/(ν_а+ν_с),

где ν_а - объем аморфной фазы, ν_с - объем кристаллической фазы.

Как наглядно видно на графике фиг.6a, постепенная кристаллизация PCM материала изменяет пропускание излучения энергонезависимым, реконфигурируемым, оптическим устройством фильтрации на выделенной длине волны, при одновременном снижении энергопотребления оптического устройства фильтрации, поскольку достигнутое в процессе настройки оптического устройства фильтрации состояние каждой из секций РСМ заданным образом не требует дополнительно воздействия во время работы устройства.

Ключевое положение 2

Еще одним ключевым аспектом изобретения является наличие в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации (далее, устройство фильтрации) по меньшей мере 3 секций PCM для управления амплитудой резонанса и положением резонанса. В Примере реализации, представленном на фиг.5а, рассматриваются 4 секции РСМ, но это количество секций не ограничивается представленным примером, а может включать 3 и более секций РСМ, в зависимости от задач и условий применения реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации.

Авторы изобретения предусмотрели в конфигурации устройства фильтрации на основе микрокольцевого резонатора, см. фиг.5а, противолежащие пары секций PCM (PCM₁, PCM₂, PCM_3a, PCM_3b). Однако конфигурация резонатора с противолежащими секциями РСМ является опциональной и может быть иной, но должна соответствовать условию, при котором секции РСМ расположены таким образом, чтобы обеспечить их температурную изоляцию друг от друга при переключении фазового состояния каждого из них для исключения помех, обусловленных тепловым воздействием на по меньшей мере одну из секций РСМ.

Комбинация, например, 3-х или 4-х независимых РСМ секций, каждая из которых может быть реконфигурирована индивидуально, без влияния на другие секции РСМ в противолежащих частях микрокольцевого резонатора 3 (MRR) и противолежащих интерферометрических плечах (MZI) устройства фильтрации позволяет управлять амплитудой резонанса без спектральных смещений.

Раздельная настройка внутренних участков микрокольцевого резонатора(MRR), в данном случае внутренними участками являются секции PCM_3а и PCM_3b в микрокольцевом резонаторе 3, вызывает преимущественно спектральный сдвиг резонансного спектра, тогда как настройка внешних участков (секции PCM₁, PCM₂) интерферометрических плеч 1а, 2а, см. фиг.5а, вызывает как сдвиг резонанса, так и изменение его амплитуды.

Настройка секций РСМ в микрокольцевом резонаторе(MRR)

Рассмотрим процессы, происходящие в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации согласно изобретению, при предварительном процессе настройки или конфигурирования секций РСМ, как в микрокольцевом резонаторе 3(MRR), так и в интерферометрических плечах 1а, 2а (MZI). В качестве примера рассмотрим настройку секции РСМ_3а микрокольцевого резонатора 3, в качестве материала с фазовым переходом используется соединение Sb₂S₃. Свойство PCM материала позволяют регулировать фазовую скорость распространения оптического сигнала в контуре микрокольцевого резонатора 3, при аморфном состоянии материал имеет один спектральный отклик, а при кристаллическом состоянии совершенно другой спектральный отклик. Указанное свойство материалов с фазовым переходом известно в уровне техники, см., например публикацию, статьи, доступную по ссылке: https://www.nature.com/articles/s41467-023-39180-3, и наглядно проиллюстрировано на фиг.4. Для изменения фазового состояния материала секция РСМ подвергается тепловому воздействию с помощью локального PIN нагревателя для изменения его фазового состояния в секции РСМ_3а. PIN нагреватель включает в себя внешний источник напряжения, расположенный на расстоянии от конфигурации MRR+ MZI, электрические контакты и соответствующие легированные области: электроны и дырки (p++ и n++), расположенные в непосредственной близости от секции РСМ_3а, подлежащей настройке. Таким образом, при приложении от одного до нескольких импульсов напряжения с амплитудой в диапазоне от 1В до 10В с различной длительностью, составляющей около 500 нс для аморфизации и около 100 мкс для кристаллизации и скважностью до 1 с между импульсами, например, с помощью электрического зонда, соединенного с источником напряжения, между соответствующими электрическими контактами, которые контактируют с легированными областями (p++ и n++ ), которые отстоят от микрокольцевого резонатора 3 с секцией РСМ_3а на расстояние примерно 200нм, для избежания оптических потерь, обеспечивается нагревание секции РСМ_3а, что обуславливает процесс частичной кристаллизации секции РСМ_3а, что наглядно проиллюстрировано на фиг.6b, и процесс фазового переключения из аморфного состояния в кристаллическое детально описан со ссылкой на эту фигуру.

Из-за того, что в кристаллическом состоянии материал Sb₂S₃ поглощает чуть больше излучения, чем в аморфном состоянии, что наглядно проиллюстрировано на фиг.4, это явление обуславливает вносимые потери. При этом изменение показателя преломления материала секции РСМ_3а между аморфным и кристаллическим состояниями сопровождается изменением фазовой скорости распространения оптического сигнала в микрокольцевом резонаторе 3 (см. фиг.6а, на которой представлена зависимость пропускания (Т)оптического сигнала через устройство фильтрации от коэффициента α, показывающего пропорцию кристаллической и аморфной фаз в секции PCM). Постепенная кристаллизация секции PCM_3а на микрокольцевом резонаторе 3 приводит к постепенному увеличению эффективного показателя преломления для оптического излучения, которое в нем распространяется. Это в свою очередь сказывается на фазовой скорости волны, что приводит к появлению дополнительного фазового набега, который меняет резонансные свойства кольцевого резонатора 3 (меняется эффективный оптический путь). Это приводит к спектральному сдвигу резонанса, см. фиг.4 и соответствующие части описания, где детально описан процесс спектрального сдвига резонанса.

Описание процесса настройки секции PCM_3b будет практически повторять процессы, происходящие в секции РСМ_3а, что достигается условиями и параметрами воздействия на указанный участок (амплитуда электрического сигнала, длительность импульса, и др.). В данном случае основной задачей настройки является обеспечение заданного коэффициента преломления для излучения в секции РСМ, подлежащей в данный момент воздействию, что в свою очередь обуславливает последующие процессы, детально описанные в волноводе. Секции РСМ_3а и РСМ_3b могут настраиваться в разные моменты времени или одновременно, с помощью локального PIN нагревателя. Следует отметить, что фазовому переключению могут подвергаться как вcя секция PCM, так и предварительно выбранные участки, в виде кругов, эллипсов и т.д., как наглядно продемонстрировано на фиг.8b.

Настройка секций РСМ в интерферометрических плечах.

Далее опишем процессы настройки секции PCM₁ и PCM₂, происходящие в интерферометрических плечах 1а и 2a, соответственно. В данном случае опишем процесс настройки на примере секции PCM₁, при этом в качестве материала с фазовым переходом используется соединение Sb₂S₃. Свойство PCM материала позволяют регулировать фазовую скорость распространения оптического сигнала в контуре волновода 1, при аморфном состоянии материал имеет один спектральный отклик, а при кристаллическом состоянии - совершенно другой спектральный отклик, что наглядно проиллюстрировано на фиг.4. Для изменения фазового состояния материала секция РСМ подвергается тепловому воздействию с помощью локального PIN нагревателя для изменения его фазового состояния в секции РСМ_1. PIN нагреватель включает в себя внешний источник напряжения, расположенный на расстоянии от конфигурации MRR+MZI, электрические контакты и соответствующие легированные области в рабочем слое кремния, в качестве примера рассматриваются легированные области (следует отметить, что для создания p++ областей в рабочем слое кремния обычно используют ионы бора, а для n++ ионы фосфора):электроны и дырки (p++ и n++), расположенные с обеих сторон в непосредственной близости от секции РСМ₁, подлежащей настройке.

Таким образом, при приложении от одного до нескольких импульсов напряжения с амплитудой в диапазоне от 1 В до 10 В с различной длительностью, составляющей около 500 нс для аморфизации и около 100 мкс для кристаллизации и скважностью до 1с между импульсами, например, с помощью электрического зонда, соединенного с источником напряжения, между соответствующими электрическими контактами, которые контактируют с легированными областями (p++ и n++), которые отстоят от волновода 1 с секцией РСМ₁ на расстояние примерно 200нм, для избежания оптических потерь, обеспечивается нагревание секции РСМ₁, что обуславливает процесс частичной кристаллизации секции РСМ₁, что наглядно проиллюстрировано на фиг.6b, и процесс фазового переключения из аморфного состояния в кристаллическое детально описан со ссылкой на эту фигуру.

Из-за того, что в кристаллическом состоянии материал Sb₂S₃ поглощает чуть больше излучения, чем в аморфном состоянии, что наглядно проиллюстрировано на фиг.4, это явление обуславливает вносимые потери. При этом изменение показателя преломления материала секции РСМ₁ между аморфным и кристаллическим состояниями сопровождается изменением фазовой скорости распространения оптического сигнала в интерферометрическом плече 1а в зависимости от фазового состояния РСМ₁ (см. фиг.6а, на которой представлена зависимость пропускания (Т) оптического сигнала через устройство фильтрации от коэффициента α, показывающего пропорцию кристаллической и аморфной фаз в секции PCM). Постепенная кристаллизация секции РСМ₁ на интерферометрическом плече 1а приводит к постепенному увеличению эффективного показателя преломления для оптического излучения, которое в нем распространяется. Это в свою очередь сказывается на фазовой скорости волны, что приводит к появлению дополнительного фазового набега, который меняет оптические свойства волновода 1 (меняется эффективный оптический путь). При этом излучение, распространяемое в интерферометрическом плече 1а, интерферирует с излучением, распространяемым в микрокольцевом резонаторе 3, за счет оптической связи в областях их сближения. Условия интерференции зависят от фазового набега между волнами в MZI и MRR, который контролируется за счет состояния всех вышеописанных PCM секций. Это приводит к спектральному сдвигу резонанса, и изменению его амплитуды. При этом фазовый сдвиг в интерференционных плечах 1а, 2а первого и второго волноводов 1, 2, соответственно, подбирается таким образом, чтобы сдвиг резонанса, вызванный за счет этого, компенсировал сдвиг резонанса из-за модуляции в микрокольцевом резонаторе 3, процессы, происходящие в микрокольцевом резонаторе 3 детально описаны выше, в разделе «Настройка секций РСМ в микрокольцевом резонаторе(MRR)». Благодаря этому, спектральное положение резонанса устройства фильтрации не изменяется, а меняется только его глубина (амплитуда). Следует отметить, что фазовому переключению могут подвергаться как вcя секция PCM, так и предварительно выбранные участки, в виде кругов, эллипсов и т.д., как наглядно продемонстрировано на фиг.8b.

Описание процесса настройки секции РСМ₂ будет практически повторять процессы, происходящие в секции РСМ₁, что достигается условиями и параметрами воздействия на указанный участок (амплитуда электрического сигнала, длительность импульса, и др.). В данном случае основной задачей настройки является обеспечение заданного коэффициента преломления для излучения, распространяемого в секции РСМ, подлежащей в данный момент воздействию, что в свою очередь обуславливает последующие процессы, детально описанные в волноводе. Секции РСМ₁ и РСМ₂ могут настраиваться в разные моменты времени или одновременно, с помощью локального PIN нагревателя. Перед работой энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации калибруется согласно следующим этапам:

1) Для каждой секции PCM, подлежащей последующей настройке, проводится предварительное снятие зависимости степени его кристаллизации от параметров электрических импульсов, поданных на соответствующий локальный PIN нагреватель (амплитуда импульса, его длительность, частота следования, количество импульсов). Получается набор метастабильных состояний, каждый из которых может быть в дальнейшем использован при настройке. Данный подход широко известен из уровня техники, см., например, публикацию: https://www.nature.com/articles/s41467-023-39180-3:

2) Далее выбирается необходимый уровень пропускания устройства фильтрации для выделенной длины волны, на которой работает соответствующий участок волновода с секцией PCM, и производится численная оценка степени кристаллизации каждого участка PCM для реализации необходимой функции передачи.

3) По полученной оценке выбирается наиболее близкое метастабильное состояние секций PCM в соответствии с многопараметрической зависимостью, полученной на этапе 1. После этого каждый из участков PCM последовательно настраивается на нужный метастабильный уровень путем подачи электрических импульсов подобранной длительности, амплитуды и частоты следования (Процесс настройки каждой секции РСМ, детально описан выше).

4) После завершения процедуры для всех участков PCM устройство фильтрации может быть использовано для оптической фильтрации без дополнительного внешнего воздействия.

При этом для предварительной калибровки можно использовать и другие известные в уровне техники методы, например, метод последовательных приближений с обратной связью (см., например, публикацию:

https://www.nature.com/articles/s41598-023-27724-y/).

В данной публикации раскрывается алгоритм последовательной настройки за счет температурной модуляции оптических свойств волноводов в MRR и MZI, где не нужно предварительно строить карту зависимости степени кристаллизации от различных параметров импульсного воздействия на нагреватель).

Со ссылкой на фиг.7а и 7b опишем предварительную настройку и последующую работу энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации.

На фигуре 7а схематично представлен вид сверху энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации согласно изобретению, а на фиг.7b поперечное сечение секции PCM и прилегающих к ним участков, указанная фигура относится, как для участков интерферометрических плеч 1а, 2а, с секциями PCM₁, PCM₂ так и участков микрокольцевого резонатора 3 с секциями PCM_3a, PCM_3b. Отличие заключается лишь в месте расположения легированных областей (n++, p++) при этом их расположение относительно соответствующей секции РСМ представлено на фиг.7а.

Часть конструктивных элементов опущена на чертеже для избежания перегрузки чертежа, но детально описана в настоящем описании для однозначного понимания сущности заявленного изобретения.

Процесс предварительной калибровки и индивидуальной настройки энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации детально описан ранее и функционирование устройства фильтрации осуществляется в предварительно реконфигурируемом виде, т.е. с индивидуально настроенными секциями PCM₁, PCM₂ интерферометрических плеч 1а, 2а, и с секциями PCM_3a, PCM_3b микрокольцевого резонатора 3.

Для наглядности на фиг. 7а представлен один локальный PIN микронагреватель 4 в области расположения секции PCM₁ на первом интерферометрическом плече 1а. Однако аналогичные локальные PIN микронагреватели расположены, каждый, в области расположения соответствующей секции PCM. Каждый из локальных PIN микронагревателей 4 содержит внешний источник напряжения (не показан) и пару электрических контактов, расположенных по обе стороны соответствующей секции РСМ. При этом внешний источник напряжения расположен на расстоянии от конфигурации интерферометрических плеч и микрокольцевого резонатора (MRR+MZI) для исключения наведения дополнительных оптических потерь.

На фиг.7b представлено поперечное сечение области секции PCM и прилегающих областей, где на верхнем рабочем слое кремния Si расположены легированные области p++ и n++ типа (следует отметить, что для создания p++ областей в кремнии обычно используют ионы бора, а для n++ ионы фосфора), которые отстоят от волноводов 1 и 2 и микрокольцевого резонатора 3 с секциями РСМ на расстояние примерно 200нм, для избежания оптических потерь, пара электрических контактов (обозначены, как эл.контакт 1 и эл.контакт 2 на фиг.7b) каждого локального PIN микронагревателя 4 контактирует с легированными областями и при подаче напряжения от соответствующего источника напряжения(не показан) обеспечивается нагревание соответствующей секции РСМ (обозначена, как Sb₂S₃(РСМ) на фиг.7b), что обуславливает процесс частичной кристаллизации указанной секции РСМ. Поверх каждой секции PCM и прилегающих к ним областям рабочего слоя кремния обеспечивается защитный слой из соединения Al₂O₃ (обозначен на фиг.7b, как Al₂O₃, служащий для защиты секции PCM от внешних воздействий, а также реформинга (расплывания и последующей деградации) секции РСМ при термической перестройке). При этом структура подложки более детально показана на фиг.7с. Подложка, на которой расположено заявленное энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, представляет собой структуру, состоящую из базового слоя кремния (Si), поверх которого расположен слой оксида кремния(SiO₂), поверх которого расположен рабочий слой кремния(Si), при этом базовый слой кремния выполнен с возможностью интегрирования в него устройства фильтрации, а рабочий слой кремния является структурированным под конфигурацию устройства фильтрации. Легированные области p++ и n++ находятся в рабочем слое кремния по бокам от волновода на расстоянии порядка 200 нм.

В примере реализации подложки представлены следующие размеры: базовый слой кремния составляет 400 мкм, слой оксида кремния - 2 мкм, и оставшаяся (недотравленная) часть рабочего слоя кремния составляет 100 нм. Указанные размеры, материал и структура подложки представлены в качестве примера и не ограничивается указанным вариантом, поскольку возможны и другие варианты реализации подложки.

Работа и примерная конструкция локального PIN микронагревателя 4 была раскрыта ранее в настоящем описании, но также приведена в публикации, доступной по ссылке:

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-8-13673&id=471268

Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации согласно изобретению, может работать на длинах волн телекоммуникационного диапазона, включая C-полосу и O-полосу, т.е. 1260~1675 нм. Устройство фильтрации работает, как с непрерывным, так и с импульсным излучением. При этом главным условием для излучения, подаваемого в контур устройства фильтрации, является, чтобы его мощность не превышала пороги разрушения для устройства фильтрации.

Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации (см. фиг.7а) содержит, расположенные на подложке(чипе), выполненной из кремния с диэлектрическим слоем SiO₂ первый волновод 1 и второй волновод 2 и микрокольцевой резонатор 3. При этом микрокольцевой резонатор 3 имеет по меньшей мере две секции, покрытые слоем материала с фазовым переходом (далее, как секции PCM_{3а и} PCM_3b) и расположен между первым и вторым волноводами 1, 2.

При этом противолежащие участки (отрезки) 1а и 2а волноводов 1, 2, соответственно, расположенные в зоне расположения резонатора 3, выполнены таким образом, что образуют первое 1а и второе 2а интерферометрическое плечо на основании конфигурации интерферометра Маха-Цендера. При этом радиус изгиба интерферометрических плеч 1а и 2а в области расположения микрокольцевого резонатора 3 выбираются с учетом обеспечения компактности устройства фильтрации и минимизации потерь излучения при прохождении излучения через интерферометрические плечи 1а и 2а. При этом каждое из первого и второго интерферометрического плеч 1а, 2а имеет участок, покрытый слоем материала с фазовым переходом, который обозначен, как секция PCM₁ и PCM₂, соответственно. Каждое интерферометрическое плечо 1а, 2а расположено таким образом, что имеет по меньшей мере две области, расположенные в непосредственной близости с микрокольцевым резонатором 3, для обеспечения оптической связи между интерферометрическими плечами 1а, 2а и резонатором 3. На фиг.7а представлена одна такая область, которая обозначена, как оптическая связь между 3 и 1а. Другие области обеспечения оптической связи расположены в подобных местах, расположенных в непосредственной близости с микрокольцевым резонатором 3, но не показаны на фигуре 7а.

При этом излучение, испускаемое внешним источником излучения (не показано) или направляемое от любых других частей оптической схемы (например, от каскада оптических фильтров с другими резонансными длинами волн, расположенного на том же чипе, что и заявленное реконфигурируемое оптическое устройство фильтрации) попадает в волновод 2 (на фиг.7а - «вход излучения») и распространяется по волноводу в его электрической фундаментальной моде ТЕ00 (вид этой моды показан на фиг.9а, 9b). Выходом моды может служить, как правая часть волновода 2(см. фиг.7а «Выход излучения 2»), так и левая часть волновода 1 (см. фиг.7а «Выход излучения 1»).

Излучение между этими выходами (см. фиг.7а, Выход излучения 1, Выход излучения 2) будет делиться в пропорции согласно текущему состоянию заявленного устройства фильтрации, что наглядно показано на фиг. 6а, где положительные значения сигнала на балансном фотодетекторе отвечают случаю преимущественного пропускания во второй волновод 2, а отрицательные - преимущественного пропускания в первый волновод 1, что в конечном итоге определяется степенью кристаллизации α для секций PCM. Следует отметить, что в данном случае под балансным фотодетектором понимаются два детектора, один из которых расположен на выходе волновода 2 (cм. фиг.7а, «Выход излучения» справа), а второй - на входе волновода 1 (см. фиг.7а «Выход излучения» слева), при этом детектируемый сигнал является результатом вычитания сигналов с этих двух детекторов. Например, когда все входящее излучение проходит насквозь через волновод 2, в волновод 1 ничего не попадает. По той же логике, если насквозь ничего не проходит, то все излучение уходит в волновод 1 (за исключением небольших потерь, которые на фиг. 4 обозначены как вносимые потери). По сути, это показано на фиг.10 верхней и нижней кривыми (макс. уровень - это первый случай, когда все входящее излучение проходит насквозь через волновод и в волновод 1 ничего не попадает и мин. уровень - это второй случай, когда по волноводу 2 ничего не проходит и все излучение распространяется по волноводу 1 и выходит из него). На выходе волноводов 1, 2 все аналогично вводу: излучение может далее по волноводу уходить в другие части оптической схемы, или может быть выведено с чипа, например, с помощью уже упомянутого метода торцевого волоконного вывода, после чего направлено на внешний детектор излучения (pin диод или лавинный фотодетектор).

Оптическое излучение поступает на вход второго волновода 2 (см. фиг.7а «вход излучения») от внешнего источника излучения (не показано). Далее электромагнитная волна распространяется по данному волноводу 2 слева направо в виде связанной моды. В области сближения (области, расположенные в непосредственной близости с микрокольцевым резонатором 3, см., например, фиг.7а «Оптическая связь между 3 и 1а») с микрокольцевым резонатором 3 (далее, область оптической связи) происходит частичная перекачка излучения из этого волновода 2 в микрокольцевой резонатор 3. Далее излучение распространяется как в микрокольцевом резонаторе 3, так и в волноводе 2. При фазовом синхронизме эти волны конструктивно интерферируют в следующей области оптической связи между микрокольцевым резонатором 3 и волноводом 2. При этом условия конструктивной интерференции зависят от длины волны света из-за дисперсии показателя преломления материала волновода. Поэтому для каких-то длин волн излучение будет проходить насквозь (достигается максимальное пропускание), для каких-то наоборот, все будет уходить в верхнюю часть микрокольцевого резонатора 3 и по аналогии в первый волновод 1. Далее приведем пример со ссылкой на фиг.10, где представлены кривые, иллюстрирующие зависимость пропускания излучения на предварительно определенной (выделенной) длине волны 1545 нм, проходящего через реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации согласно изобретению от фазового состояния материала, в одном из состояний секции PCM (при α =0.099 на фиг.10) излучение вблизи этой длины волны почти полностью уходит в первый волновод 1, при этом излучение на остальных длинах волн из представленного диапазона (1544.9-1545.1 нм) почти полностью уходит во второй волновод 2.

Это, по сути, и определяет резонансный профиль передачи энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации, когда фаза излучения на требуемой резонансной длине волны, прошедшего, например, через первое интерферометрическое плечо 1а, должна совпадать с кратностью 2πn (где n - целое число) с фазой излучения, прошедшего через область микрокольцевого резонатора 3 в области оптической связи между точками оптической связи с данным интерферометрическим плечом 1а (с периодическими провалами для выделенных длин волн - периодичность в данном случае связана с кратностью 2πn, о котором было упомянуто ранее). При этом условия фазового синхронизма могут быть изменены за счет реконфигурации секций PCM, что повлечет за собой изменение резонансного профиля передачи устройства фильтрации.

Для секций РСМ используются различные виды материала с фазовым переходом, в основе которых лежит способность вещества высвобождать/поглощать достаточно энергии при фазовом переходе, т.е., при переходе из одного состояния, например, твердого или жидкого, к другому, в данном случае рассматриваются типы материалов с возможностью перехода из аморфного состояния в кристаллическое (и наоборот) при тепловом воздействии. На фиг.6b показано аморфное (а- Sb₂S₃) и кристаллическое (с- Sb₂S₃) состояния секции PCM материала при использовании материала Sb₂S₃ после температурного воздействия на секции PCM материала согласно заявленному изобретению. При этом, как наглядно проиллюстрировано на фиг.6а, постепенная кристаллизация PCM материала изменяет пропускание устройства фильтрации на выделенной длине волны, при одновременном снижении энергопотребления оптического устройства фильтрации, поскольку достигнутое в процессе настройки фильтра состояние каждой из секций РСМ заданным образом не требует дополнительно воздействия во время работы устройства фильтрации.

Авторы провели анализ материалов, используемых в устройстве фильтрации согласно изобретению, для секций PCM. При этом рассматривались следующие параметры материалов в аморфном и кристаллическом состоянии (а/с): показатель преломления (n), коэффициент поглощения (k) (обе величины представлены для спектрального с-диапазона вблизи 1550 нм), время записи/перезаписи (t_w), время стирания (t_e), энергия, необходимая для переключения (Eв).

1) Материалы группы GST (германий-сурьма-теллур(GeSbTe)) представляет собой материалы с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол. Материалы группы GST имеют показатель преломления в аморфном и кристаллическом состоянии(а/с):n=4,4/7,5, коэффициент поглощения в аморфном и кристаллическом состоянии:k=0,1/1/35, время записи/перезаписи: t_w=20нс, время стирания:t_e=100 нс, энергия, необходимая для переключения: E=180 пДж.

2) Материалы группы GSST (германий-сурьма-селен-теллур (GeSbSeTe)), одним из примером из этой группы может быть соединение Ge₂Sb₂Se₄Te₁. Материалы группы GSST представляют собой материалы с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол. Материалы группы GSST имеют показатель преломления в аморфном и кристаллическом состоянии (а/с):n=3,3/5,1, коэффициент поглощения в аморфном и кристаллическом состоянии: k=0,0/0,4, время записи/перезаписи: t_w=100нс, время стирания: te=100 мкс, энергия, необходимая для переключения: E=5,5 мкДж.

3) Неорганическое соединение селенид сурьмы Sb₂Se₃ относится к материалам с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол. Соединение Sb₂Se₃ имеет показатель преломления в аморфном и кристаллическом состоянии(а/с):n=3,3/4,1, коэффициент поглощения в аморфном и кристаллическом состоянии:k=0,0/0,0, время записи/перезаписи: t_w=400нс, время стирания:t_e=100 мкс, энергия, необходимая для переключения: E=14 нДж.

4) Неорганическое соединение трисульфид сурьмы Sb₂S₃ относится к материалам с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол. Соединение Sb₂S₃ имеет показатель преломления в аморфном и кристаллическом состоянии (а/с): n=2,7/3,3, коэффициент поглощения в аморфном и кристаллическом состоянии:k=0,0/0,0, время записи/перезаписи: t_w=500 нс, время стирания:t_e=2 с, энергия, необходимая для переключения: E=40 нДж.

5) Материалы группы ВТО (титанат бария BaTiO₃)- представляет собой материалы с фазовым переходом II рода. Материал группы ВТО имеет показатель преломления в аморфном и кристаллическом состоянии (а/с): n=2,3, коэффициент поглощения в аморфном и кристаллическом состоянии:k=0,0, время записи/перезаписи: t_w=6 мкс, время стирания: t_e=30 мкс, энергия, необходимая для переключения: E=4,6 пДж.

В результате анализа параметров вышеуказанных групп материалов для секций РСМ можно сделать следующие выводы:

- материалы группы GSST проявляют высокую стабильность, быструю реконфигурацию при воздействии и большое число циклов переключения без потери оптических свойств.

- соединения Sb₂Se₃ и Sb₂S₃ более предпочтительны для использования в устройстве фильтрации, поскольку характеризуются низким коэффициентом поглощения как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии.

- материалы группы ВТО имеют высокую энергоэффективность, но для их работы требуется воздействие постоянного напряжения смещения и они имеют медленную реконфигурацию, т.е. медленно переходят между стабильными фазовыми состояниями.

Как уже указывалось секции РСМ могут быть изготовлены из различных групп материалов, кроме того секции РСМ могут быть выполнены в виде сплошного, непрерывного слоя, как представлено на фиг.8а, или структурированного, см. фиг.8b в виде по меньшей мере двух участков из РСМ материала различной формы, например, круг, эллипс, и любые другие формы, и расположенных заданным структурированным образом, т.е. в виде рисунка, где промежуточные участки между участками из РСМ материала представляют собой участки непокрытые слоем РСМ материала. Исследования, проведенные в области использования материалов с фазовым переходом показали, что выполнение структурированного слоя РСМ материала значительно улучшает устойчивость материала при переключении между фазами с аморфной на кристаллическую и наоборот (см., например, статью “Low-Loss Integrated Photonic Switch Using Subwavelength Patterned Phase Change Material”, авторы Changming Wu, Heshan Yu, Huan Li, Xiaohang Zhang, Ichiro Takeuchi, and Mo Li; ACS Photonics 2019, 6,1,87-92, опубл. 19.12.2018г, доступно по ссылке: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b01516)

Следует отметить, что меньший объем РСМ материала в секции РСМ обеспечивает большую долговечность работы устройства благодаря меньшей деградации материала вследствие сегрегации составляющих его элементов и меньшем влиянии искажения формы при плавлении. Кроме того, при использовании структурированной секции РСМ в оптических устройствах на основе электронно-фотонных интегральных схем(EPIC) и в других подобных применениях, и при возникновении необходимости их настройки, значительно повышается возможность увеличения числа циклов переключения фазовых состояний, по сравнению с использованием секций РСМ, выполненных в виде сплошного слоя. Следовательно, такое структурированное выполнение секции РСМ повышает выносливость устройства, уменьшает абсорбционные потери при распространении через нее излучения, делает его менее подверженным коррозии и оптическому искажению, но одновременно усложняет процесс изготовления.

В одном из вариантов реализации изобретения авторы предлагают использовать в энергонезависимом, реконфигурируемом, оптическом устройстве фильтрации резонаторы несколько отличной формы, например, в виде эллипса.

На фиг. 11а, 11b, 11c представлены различные возможные варианты выполнения резонаторов, где на фиг.11а схематично представлено энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, содержащее расположенные на подложке оптически связанные с друг другом два эллиптических волноводных резонатора (R1, R2), при этом каждый из указанных резонаторов содержит по меньшей мере две секции материала с фазовым переходом (секции PCM), при этом работа и процессы, происходящие в данном варианте реализации практически идентичны варианту энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации с микрокольцевым резонатором и интерферометрическими плечами (см. фиг.7а). При этом согласно варианту реализации, см. фиг.11а, излучение, распространяющееся в одном из эллиптических волноводных резонаторов, например R1, может интерферировать с излучением в другом эллиптическом волноводном резонаторе R2 за счет ближнепольной оптической связи в области их сближения. Результат такой интерференции будет зависеть от фазовой задержки в каждом из резонаторов, что, в свою очередь, регулируется с помощью состояния PCM секций в каждом из них. Особенности регулирования секции РСМ детально описано со ссылками на фиг.6а и 6b.

На фиг.11b схематично представлено энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, содержащее расположенные на подложке, оптически связанные друг с другом три эллиптических волноводных резонатора (R3, R4, R5), при этом каждый из двух боковых эллиптических резонаторов содержит по меньшей мере одну секцию материала с фазовым переходом (секции PCM), а центральный эллиптический резонатор содержит по меньшей мере две секции материала с фазовым переходом (секции PCM), при этом работа и процессы, происходящие в данном варианте реализации практически идентичны варианту энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации с микрокольцевым резонатором и интерферометрическими плечами (см. фиг.7а), как и варианту реализации согласно фиг.11а. Согласно варианту реализации, см. фиг.11b, излучение, распространяющееся в каждом из эллиптических волноводных резонаторов, например R3,R5, может интерферировать с излучением в центральном эллиптическом волноводном резонаторе R4 за счет ближнепольной оптической связи в области сближения указанных резонаторов R3,R4, R5. Результат такой интерференции будет зависеть от фазовой задержки в каждом из указанных резонаторов, что, в свою очередь, регулируется с помощью состояния PCM секций в каждом из них. Как уже указывалось, особенности регулирования секции РСМ детально описано со ссылками на фиг.6а и 6b.

На фиг.11с схематично представлено энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, содержащее, расположенные на подложке и оптически связанные друг с другом, 3 резонатора R6, R7, R8: два боковых эллиптических волноводных резонатора и один центральный кольцевой резонатор, при этом каждый из указанных боковых эллиптических резонаторов, в частности R6, R8, содержит по меньшей мере одну секцию материала с фазовым переходом (секции PCM), а центральный кольцевой резонатор R7 содержит по меньшей мере две секции РСМ, при этом работа и процессы, происходящие в данном варианте реализации практически идентичны варианту реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации с микрокольцевым резонатором и интерферометрическими плечами (см. фиг.5а,7а), как и вариантам реализации согласно фиг.11а, 11b. Согласно варианту реализации, см. фиг.11c, излучение, распространяющееся в каждом из эллиптических волноводных резонаторов, например R6,R8 может интерферировать с излучением в центральном эллиптическом волноводном резонаторе R7 за счет ближнепольной оптической связи в области сближения указанных резонаторов R6,R7, R8. Результат такой интерференции будет зависеть от фазовой задержки в каждом из указанных резонаторов, что, в свою очередь, регулируется с помощью состояния PCM секций в каждом из них. Как уже указывалось, особенности регулирования секции РСМ детально описано со ссылками на фиг.6а и 6b.

Следует отметить, что калибровка и настройка секций РСМ и работа вариантов реализации по фиг.11а, 11b,11c аналогична энергонезависимому, реконфигурируемому, оптическому устройству фильтрации согласно фиг.5а и 7а.

Авторы изобретения в качестве наглядности представили резонансные профили устройств фильтрации, используемых в конфигурации кольцевой резонатор+интерферометр и конфигурации, в которой используются эллиптические резонаторы, см. фиг.12а, 12b, известные из статей: Luan, E., Yu, S., Salmani, M. et al. “Towards a high-density photonic tensor core enabled by intensity-modulated microrings and photonic wire bonding”. Sci Rep 13, 1260 (2023), доступно по cсылке: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27724-y10) (далее, как [1] (фиг. 12a) и Boeck, R., Jaeger, N., Rouger, N., Chrostowski, L. “Series-coupled silicon racetrack resonators and the Vernier effect: theory and measurement” Optics Express 18, 25151-25157 (2010), доступно по ссылке: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-18-24-25151&id=208218 (далее, как [3]) (фиг. 12b). На фиг.12а представлен резонансный профиль для устройства фильтрации, содержащего микрокольцевой резонатор и интерферометрические плечи (MRR+MZI), где по оси Х представлена длина волны λ, а по оси Y -пропускание T, где наглядно видно, что расстояние между ближайшими резонансами, которое определяется параметром FSR (свободный спектральный отклик), составляет 12,5 нм.

На фиг.12b представлен резонансный профиль для устройства фильтрации, известный из публикации [3], использующего эллиптические резонаторы, где по оси Х представлена длина волны λ, а по оси Y -вносимые потери, (вносимые потери, по сути идентичны пропусканию устройства, т.к. на фиг.12а проиллюстрировано пропускание излучения в тот же волновод (подобно волноводу 2 на фиг.5а), через которое оно заводилось, а на фиг.12b рассматривается распространение излучения через противоположный волновод (подобно волноводу 1 на фиг.5а), где наглядно видно, что расстояние между ближайшими резонансами, которое определяется параметром FSR (свободный спектральный отклик) составляет 40 нм.

Как наглядно видно из графиков фиг.12а и 12b, значение FSR примерно в 3 раза превышает аналогичный параметр варианта реализации с MRR+MZI, что позволяет работать с более плотным каналом связи, т.е. при фиксированном спектральном расстоянии между каналами в WDM системах, в такой фильтр можно будет упаковывать больше каналов связи.

На фиг.9а, 9b представлено поперечное сечение волновода с секцией PCM, выполненной из Sb₂S₃.

Эффективный показатель преломления моды, распространяемой в сердцевине волновода, можно регулировать путем частичного переключения секции РСМ из аморфного (9а) в кристаллическое (9b) состояния (и наоборот). Эффективный показатель преломления в волноводе для кристаллического и аморфного состояний PCM материала изменяется примерно на 1%, вызывая сдвиг резонанса фильтра. Для аморфного состояния действительная часть эффективного показателя преломления n_eff=2,636 (см. фиг.9а), а для кристаллического состояния n_eff=2,660 (см. фиг.9b). При этом на фиг.9а и 9b в правом нижнем углу картинки проиллюстрированы значения (i6.8e-5) и (i4.7e-4), представляющие мнимую часть n_eff, характеризующие абсорбционные потери для аморфного состояния PCM на волноводе на фиг.9а и для кристаллического состояния на фиг.9b, что свидетельствует об очень малых абсорбционных потерях заявленного устройства фильтрации (коэффициент экстинкции менее 0,0001).

Как уже указывалось со ссылкой на фиг.5b, настройка энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации обеспечивает, как сдвиг резонанса, так и изменение его амплитуды и спектрального положения. Задача авторов изобретения при создании заявленного энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации, заключается в индивидуальной настройке каждой секции РСМ на разных участках устройства, в данном случае в интерферометрических плечах 1а, 2а и на противолежащих участках микрокольцевого резонатора 3, таким образом, чтобы на одной длине волны добиться неизменного положения резонанса при изменении его амплитуды, что сопровождается обеспечением заданного пропускания излучения в устройстве фильтрации.

При этом как наглядно было продемонстрировано на графике фиг.6a постепенная кристаллизация PCM материала изменяет пропускание устройства фильтрации на резонансной длине волны, при одновременном снижении энергопотребления оптического устройства фильтрации, поскольку достигнутое в процессе настройки фильтра состояние каждой из секций РСМ заданным образом не требует дополнительно воздействия во время работы устройства. Это свойство РСМ материала авторы изобретения используют в заявленном устройстве, посредством регулирования пропускания сигнала в устройстве фильтрации, посредством изменения соотношении по доли объема аморфного и кристаллического состояния материала в определенной секции РСМ, что определяется коэффициентом α,

показывающим пропорцию кристаллической и аморфной фаз в секции PCM (см. фиг.6b).

Как наглядно демонстрируется на фиг.10, пропускание изменяется, в данном случае увеличивается при изменении коэффициента α, на фиг.10 представлены кривые, иллюстрирующие излучение, проходящее через устройство фильтрации, в данном случае рассматривается излучение на предварительно определенной или выделенной длине волны 1545 нм, проходящее по волноводу 2 (толстые линии: сплошная при α=0,099, пунктирная α=0,043, линия в виде точек, при α=0,024), и отраженное излучение (выход), прошедшее контур волновода и проходящее по волноводу 1(тонкие линии: сплошная при α=0,099, пунктирная α=0,043, линия в виде точек, при α=0,024).

На фиг.10 по оси Y представлено пропускание Т (дБ), а по оси Х длина волны λ в нм, где каждая из кривых на графике демонстрирует изменение амплитуды резонанса на выделенной длине волны 1545 нм, при этом при изменении (α) пропорции между кристаллическим и аморфным состоянием материала РСМ меняется уровень пропускания фильтра, от минимального уровня (примерно -18 дБ), через промежуточный уровень (примерно -6 дБ) к максимальному уровню (примерно -1 дБ). При этом, как видно на фиг.10, при изменении пропускания, сам резонанс и его положение остается неизменным, т.е. без спектрального смещения, а меняется только его амплитуда.

Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, согласно изобретению, выполнено таким образом, что обеспечивает независимое управление резонансом в интерферометрических плечах волноводов и микрокольцевом резонаторе, тем самым обеспечивая возможность изменить амплитуду сигнала без смещения резонансных линий в спектре устройства фильтрации. Такое выполнение и настройка заявленного устройства фильтрации позволяют значительно снизить межканальные помехи при работе устройства фильтрации и обеспечить низкое энергопотребление для выполнения спектральной настройки устройства при его неоднократном использовании.

Промышленная применимость

Энергонезависимое перестраиваемое оптическое устройство фильтрации может использоваться в различных оптико-электронных устройствах на основе электронно-фотонных интегральных схем(EPIC), например, в электронно-фотонных аппаратных(HW) ускорителях, используемых для машинного обучения, для HPC(высокопроизводительных вычислений) приложений, для AI(artificial intelligence т.е. искусственный интеллект) приложений, в фотонных интерконнектах для центров обработки данных, таких как интегрированные фотонные маршрутизаторы для дезагрегированных систем в центрах обработки данных, для различных видов обработки сигналов в телекоммуникационных системах с WDM(мультиплексирование по длинам волн), например, в фотонных сопроцессорах для компенсации искажений в телекоммуникационных системах WDM.

Изобретение относится к области оптики и касается энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации. Устройство содержит микрокольцевой резонатор и два волновода, выполненные с возможностью ввода и вывода оптического излучения. Микрокольцевой резонатор содержит секцию, покрытую слоем из материала с фазовым переходом (секцию РСМ). Первый и второй волноводы содержат соответствующие первое и второе интерферометрическое плечо. Интерферометрические плечи содержат секцию, покрытую слоем из материала с фазовым переходом (секцию РСМ). Микрокольцевой резонатор расположен между первым и вторым волноводом с обеспечением оптической связи между интерферометрическими плечами и микрокольцевым резонатором. Каждая из секций РСМ обеспечивает предварительно определенный эффективный показатель преломления для излучения на определенной длине волны и для последующего обеспечения сдвига резонанса и/или изменения амплитуды оптического излучения, распространяемого в соответствующем волноводе. Технический результат заключается в создании настраиваемого устройства фильтрации с малыми оптическими потерями и низким энергопотреблением на переключение и поддержку функционирования устройства. 2 н. и 41 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Энергонезависимое, реконфигурируемое, оптическое устройство фильтрации, содержащее расположенные на подложке:

микрокольцевой резонатор, содержащий по меньшей мере одну секцию, покрытую слоем из материала с фазовым переходом (секцию РСМ) и расположенную на по меньшей мере части микрокольцевого резонатора,

первый и второй волноводы, выполненные с возможностью ввода и вывода оптического излучения, при этом каждый из первого и второго волноводов содержит соответствующие первое и второе интерферометрическое плечо и по меньшей мере одну секцию, покрытую слоем из материала с фазовым переходом (секцию РСМ), расположенную на по меньшей мере части первого и второго интерферометрического плеча,

при этом микрокольцевой резонатор расположен между первым и вторым волноводом, и каждое из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, расположено таким образом, что имеет по меньшей мере две области, расположенные в непосредственной близости с микрокольцевым резонатором, для обеспечения оптической связи между каждым из первого и второго интерферометрических плеч соответствующего первого и второго волноводов и микрокольцевым резонатором,

при этом микрокольцевой резонатор и каждое из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, выполнены таким образом, что фазы излучения в каждом из первого и второго интерферометрических плеч и в микрокольцевом резонаторе являются оптически согласованными для предварительно определенной длины волны так, что фаза излучения, прошедшего через каждое из первого и второго интерферометрических плеч совпадает с кратностью 2πn, где n - целое число, с фазой излучения, прошедшего через область микрокольцевого резонатора между соответствующими областями оптической связи с соответствующим интерференционным плечом,

при этом каждая из секций РСМ, расположенная на соответствующем первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевого резонатора предварительно выполнена с возможностью обеспечения предварительно определенного эффективного показателя преломления для излучения на предварительно определенной длине волны для последующего обеспечения сдвига резонанса и/или изменения амплитуды оптического излучения на предварительно определенной длине волны, распространяемого в соответствующем волноводе,

при этом величина предварительно определенных эффективных показателей преломления для излучения на предварительно определенной длине волны каждой из секций РСМ, расположенных на каждом из первого и второго интерферометрического плеча первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевом резонаторе равны или отличаются друг от друга.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один внешний источник излучения, выполненный с возможностью формирования исходного, непрерывного, когерентного, электромагнитного излучения с длиной волны оптического диапазона.

3. Устройство по п.2, в котором по меньшей мере один внешний источник излучения выполнен с возможностью формирования импульсного исходного излучения для закачки в по меньшей мере один из первого волновода и второго волновода.

4. Устройство по п.2 или 3, в котором по меньшей мере один внешний источник излучения представляет собой импульсный лазер.

5. Устройство по одному из пп.1-4, в котором по меньшей мере один внешний источник излучения выполнен с возможностью формирования исходного пучка излучения, представляющего собой один из: непрерывного когерентного пучка излучения, непрерывного частично-когерентного пучка излучения, импульсного когерентного пучка излучения, импульсного частично-когерентного пучка излучения.

6. Устройство по п.1, в котором каждое из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волновода, соответственно, и части микрокольцевого резонатора между областями оптической связи с этими волноводами представляют собой интерферометры Маха-Цендера.

7. Устройство по п.1, в котором предварительно определенная длина волны излучения выбирается из условия получения предварительно заданного спектрального отклика устройства фильтрации, обусловленного положением резонанса в спектре для указанной предварительно определенной длины волны излучения.

8. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один детектор, выполненный с возможностью измерения мощности оптического сигнала, на входе или выходе из первого и второго волноводов.

9. Устройство по п.8, в котором детектор представляет собой один из: PIN фотодетектор, лавинный фотодетектор, выполненный на основе кремния-германия или на основе сплавов материалов 3-5 группы.

10. Устройство по п.1, в котором подложка представляет собой структуру из слоев кремния и оксида кремния.

11. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один локальный PIN термонагреватель, выполненный с возможностью предварительного индивидуального регулирования фазового состояния каждой из по меньшей мере одной секции РСМ.

12. Устройство по п.11, в котором каждый из по меньшей мере одного PIN термонагревателя содержит соответствующий источник напряжения, соединенный двумя электрическими контактами с легированными областями (p++ и n++), расположенными в слое кремния на подложке на предварительно заданном расстоянии от каждого из первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора с соответствующими секциями РСМ с возможностью обеспечения нагревания по меньшей мере части каждой из секций РСМ для обеспечения предварительно заданного фазового состояния.

13. Устройство по п. 12, в котором электрические контакты расположены на предварительно заданном расстоянии от первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора так, чтобы не вносить потери в излучение, распространяемое в волноводах.

14. Устройство по п.13, в котором предварительно заданное расстояние составляет 200 нм.

15. Устройство по одному из пп.12-14, в котором электрические контакты имеют площадь контактирования, которая позволяет обеспечить подвод напряжения от источника напряжения к легированным областям (p++ и n++).

16. Устройство по одному из пп.12-15, в котором локальный PIN термонагреватель дополнительно содержит электрический зонд для подвода напряжения к каждому из электрических контактов.

17. Устройство по п.1, в котором каждая из секций РСМ выполнена из материала с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол группы GSST (германий-сурьма-селен-теллур (GeSbSeTe).

18. Устройство по п.1, в котором каждая из секций РСМ выполнена из материала с фазовым переходом первого рода из группы халькогенидных стекол группы GST (германий-сурьма-теллур(GeSbTe)).

19. Устройство по п.1, в котором каждая из секций РСМ выполнена из материала, представляющего собой соединение Sb₂Se_3.

20. Устройство по п.1, в котором каждая из секций РСМ выполнена из материала, представляющего собой соединение Sb₂S_3.

21. Устройство по п.1, в котором каждая из секций РСМ выполнена из материала с фазовым переходом II рода из группы ВТО, представляющего собой титанат бария.

22. Устройство по п.1, в котором каждая из по меньшей мере одной секции РСМ, расположенная на соответствующем первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волновода, предварительно выполнена так, что обеспечивает спектральный сдвиг резонанса и изменение его амплитуды, и каждая из по меньшей мере одной секции РСМ, расположенная на микрокольцевом резонаторе, обеспечивает спектральный сдвиг резонанса.

23. Устройство по п.22, каждая из секций РСМ на соответствующем первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевом резонаторе предварительно выполнена таким образом, что спектральные сдвиги резонанса, обеспечиваемые в секциях РСМ первого и второго интерферометрического плеч, взаимно компенсируются соответствующими спектральными сдвигами, обеспечиваемыми в секциях РСМ микрокольцевого резонатора, что обуславливает изменение амплитуды резонанса при сохранении неизменным его положения на предварительно определенной длине волны излучения, распространяемого по устройству фильтрации.

24. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна секция РСМ выполнена в виде сплошного, непрерывного слоя материала с фазовым переходом.

25. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна секция РСМ выполнена в виде структурированного слоя заданной или произвольной формы.

26. Устройство по п.25, в котором указанный структурированный слой состоит из по меньшей мере двух участков из материала с фазовым переходом.

27. Устройство по п.25 или 26, в котором структурированный слой состоит из по меньшей мере двух участков из материала с фазовым переходом, при этом каждый из по меньшей мере двух участков представляет собой форму круга, овала или эллипса.

28. Устройство по одному из пп.26, 27, в котором участки из материала с фазовым переходом расположены заданным структурированным образом, а промежуточные участки между участками из материала с фазовым переходом представляют собой участки, непокрытые слоем материала с фазовым переходом.

29. Устройство по п.1, дополнительно содержащее блок управления, выполненный с возможностью управления по меньшей мере одним источником излучения, по меньшей мере одним источником напряжения и по меньшей мере одним детектором.

30. Устройство по одному из пп.1-29, в котором первый и второй волноводы представляют собой одномодовые гребневые волноводы или полосковые волноводы.

31. Устройство по п.1, в котором микрокольцевой резонатор представляет собой замкнутый в виде кольца волновод.

32. Устройство по п.1, в котором радиус изгиба первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, в непосредственной близости с областями расположения микрокольцевого резонатора, выбирается с учетом обеспечения компактности устройства фильтрации и минимизации потерь излучения при прохождении излучения через первое и второе интерферометрические плечи, соответственно.

33. Способ настройки энергонезависимого, реконфигурируемого, оптического устройства фильтрации по одному из пп.1-32, содержащий следующие этапы:

- обеспечивают индивидуальную настройку каждой из секций РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, для этого выполняют следующие этапы:

выполняют тепловое воздействие на каждую из секций РСМ, для изменения фазового состояния по меньшей мере одного участка секций РСМ с обеспечением предварительно заданной частичной кристаллизации по меньшей мере одного участка секций РСМ, которая обуславливает заданное изменение эффективного показателя преломления для излучения на предварительной заданной длине волны, распространяемого в указанной секции РСМ,

при этом фазовое состояние по меньшей мере одного участка секций РСМ определяется коэффициентом α, показывающим пропорцию кристаллической и аморфной фаз в по меньшей мере одном участке секции PCM, который определяется из соотношения α=ν_а/(ν_а+ν_с),

где ν_а - объем аморфной фазы, ν_с - объем кристаллической фазы на участке секции РСМ,

при этом индивидуальная настройка каждой из секций РСМ, расположенной на первом и втором интерферометрическом плече первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевого резонатора выполняется с возможностью обеспечения предварительно определенного эффективного показателя преломления для излучения на предварительно определенной длине волны для последующего обеспечения сдвига резонанса и/или изменения амплитуды оптического излучения на предварительно определенной длине волны, распространяемого в соответствующем волноводе.

34. Способ по п.33, в котором изменение эффективного показателя преломления для излучения на предварительной заданной длине волны, распространяемого в указанной секции РСМ, обуславливает последующее изменения фазовой скорости распространения оптического сигнала в зависимости от фазового состояния по меньшей мере одного участка соответствующей секции РСМ.

35. Способ по п.33, в котором тепловое воздействие на каждую секцию РСМ выполняют посредством подведения предварительного заданного напряжения к легированным областям с двумя электрическими контактами соответствующего локального PIN нагревателя для обеспечения нагревания соответствующей секции РСМ, которое обуславливает процесс частичной кристаллизации секции РСМ.

36. Способ по п.33, в котором тепловое воздействие на каждую секцию РСМ первого и второго реконфигурируемых плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора осуществляется одновременно.

37. Способ по п.33, в котором тепловое воздействие на каждую секцию РСМ первого и второго реконфигурируемых плеч первого и второго волноводов, соответственно, и микрокольцевого резонатора осуществляется в различные моменты времени.

38. Способ по п.33, в котором подают напряжение к легированным областям с двумя электрическими контактами соответствующего локального PIN нагревателя для заданной секции РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, в диапазоне от 1 В до 10 В.

39. Способ по п.33, в котором подают напряжение к легированным областям с двумя электрическими контактами соответствующего локального PIN нагревателя для заданной секции РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, с длительностью от 500 нс до 100 мс.

40. Способ по п.33, в котором подают напряжение к легированным областям с двумя электрическими контактами соответствующего локального PIN нагревателя для заданной секции РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, со скважностью между электрическими импульсами, составляющей 1 с.

41. Способ по п.33, в котором перед этапом индивидуальной настройки каждой из секций РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно, осуществляют калибровку устройства фильтрации, для этого получают данные, характеризующие зависимости степени кристаллизации каждой из секций РСМ от параметров теплового воздействия на секции РСМ.

42. Способ по п.33, в котором предварительно выбирается заданный уровень пропускания устройства фильтрации для излучения на предварительно определенной длине волны, на которой работает микрокольцевой резонатор и первое и второе интерферометрические плечи первого и второго волноводов, соответственно, с соответствующими секциями РСМ, для последующей настройки каждой из секций РСМ микрокольцевого резонатора и первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волноводов, соответственно.

43. Способ по п.33, в котором секции РСМ первого и второго интерферометрических плеч первого и второго волновода, соответственно, и микрокольцевого резонатора расположены таким образом, чтобы обеспечить их температурную изоляцию друг от друга при изменении фазового состояния каждого из них для исключения помех, обусловленных тепловым воздействием на по меньшей мере одну из секций РСМ.