Метод параллельной коммутации оптических сигналов в волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Неевина, Татьяна Александровна

• Неевина, Татьяна Александровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Неевина, Татьяна Александровна

Введение

Глава 1. Основные методы и устройства оптической коммутации

1.1. Метод механической оптической коммутации

1.2. Метод электрооптической коммутации

1.3. Метод термооптической коммутации

1.4. Коммутация на основе полупроводниковых оптических усилителей

1.5. Метод интегральной активно-волноводной коммутации

1.6. Коммутация на основе использования фотонных кристаллов

1.7. Коммутация на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах

1.8. Коммутация на матрицах оптоэлектронных вентилей

1.9. Метод коммутации на основе использования однонаправленных распределено-связанных волн

1.10. Метод акустооптической коммутации

1.11. Метод коммутации на основе управляемого эффекта полного внутреннего отражения в электрооптическом материале волноводов

1.12. Метод коммутации с использованием оптических волноводов, выполненных из фоторефрактивного материала

1.13. Оптическая коммутация на основе использования кремниевой нанофотоники

1.14. Выводы к Гл. 1

Глава 2. Новый метод параллельной коммутации NxN оптических каналов и возможные пути его реализации

2.1. Принцип и схема нового метода параллельной коммутации КхИ оптических каналов

2.2. Отличия нового метода от коммутационной баньян-сети

2.3. Алгоритм переконфигурации коммутатора

2.4. Удвоение и адресация каналов

2.4.1. Оптические расщепители для выполнения удвоения числа каналов

2.4.2. Модуляторы для выполнения адресации каналов

2.5. Сборка каналов

2.5.1. Возможное применение ячеек полного внутреннего отражения

2.5.2. Возможное применение фоторефрактивных волноводов

2.6. Выводы к Гл.2

Глава 3. Моделирование работы параллельного многоканального

коммутатора с ячейками ПВО в волноводных каналах

3.1. Схема сборки с обратной связью

3.2. Схемы сборки без обратной связи

3.2.1. Первая схема сборки без обратной связи

3.2.2. Вторая схема сборки без обратной связи

3.3. Расположение ячеек ПВО в волноводных каналах

3.4. Функциональная схема коммутатора с использованием ячеек ПВО

3.5. Оценка возможных технических характеристик

3.6. Выводы к Гл. 4

Глава 4. Моделирование работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала

4.1. Описание принципа работы параллельного многоканального коммутатора с волноводными каналами, выполненными из фоторефрактивного материала

4.2. Расчет возможных параметров коммутатора

4.3. Выводы к Гл. 4

Заключение

Список условных сокращений

Список литературы

Приложение. Код программы, управляющей процессом настройки

коммутатора

ПЛ. Класс «input output»

П.2. Класс «device 1»

П.З. Класс «device2»

П.4. Класс «device345»

П.5. Класс «prog»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод параллельной коммутации оптических сигналов в волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации»

Введение

Актуальность темы

Неотъемлемой частью информационно-вычислительной системы любой архитектуры и конфигурации является коммутационная сеть, обеспечивающая при высокой производительности направленность данных в потоке информации. Несмотря на существенные успехи в развитии технологии оптических сетей коммутация информационных потоков до некоторого времени включала в себя преобразование оптического сигнала в электрическую форму, выполнение необходимых переключений и обратное преобразование сигнала в оптическую форму. Понятно, что такое двойное преобразование несущей сигнала не является оптимальным.

В последнее время возрос интерес к созданию сверхбыстродействующих и чисто оптических переключателей света. Это вызвано рядом причин. Во-первых, все возрастающими потребностями в сверхбыстрой обработке больших объемов информации в сочетании с необходимостью ее передачи по оптическим линиям связи, а также потребностями в создании суперкомпьютеров. Во-вторых, бурным развитием интегральной [1-5], волоконной [1, 6-8] и нелинейной [4, 9-12] оптики, которое, с одной стороны, ставит перед исследователями задачу создания принципиально новых сверхбыстродействующих чисто оптических приборов и устройств (в частности оптических транзисторов), а с другой стороны, создает технологическую базу, необходимую для ее решения. В-третьих,

принципиальным ограничением на быстродействие электрических и электрооптических переключателей, которое обусловлено тем, что минимальное время переключения в них ограничено процессами заряда-разряда в электрической цепи устройства (значениями емкости, сопротивления и индуктивности этой цепи) и обычно составляет более 0,1-1 не [1].

Ранее использовались коммутаторы типа 1хИ с электрическим управлением, распределяющие сигнал со входного волокна между несколькими выходными волокнами. В оптических сетях они выполняли функцию восстановления связи и не позволяли осуществлять динамическое выделение или перераспределение полосы пропускания. Теперь в сетях требуются мощные системы кросс-коммутации типа ЫхЫ, выполняющие сложные операции по переконфигурации потока из N оптических сигналов. Способность осуществлять полную неблокируемую коммутацию сигналов становится крайне важной функцией для современных полностью оптических сетей. Поэтому огромную практическую важность приобретают устройства оптической кросс-коммутации, в которых не происходит двойного оптоэлектронного преобразования.

Конечно, для перенаправления нескольких каналов могут использоваться простые оптические переключатели. Однако, они не подходят для сложных сетевых архитектур (кольцевой, ячеистой) с большим количеством узлов и точек доступа, где необходима гибкая быстрая коммутация большого числа каналов.

Поначалу кросс-коммутация оптических сигналов по сути была оптомеханической [13-15] и выполнялась, к примеру, с помощью крошечных зеркал, размещенных на пути оптического луча. Использование технологии изготовления микрозеркал и технологии создания систем МЭМС (микро-электро-механических систем), позволяет разместить множество коммутирующих линз и микрозеркал вместе с их приводами на одном кремниевом кристалле. Такие устройства могут иметь сотни портов, обладают высокой изоляцией каналов и могут использоваться в широком диапазоне длин волн. Однако, у них есть серьезные недостатки. Прежде всего, это сложность изготовления микрозеркал (они должны иметь близкую к 100% отражательную способность, малую

дисперсию и аберрацию) и низкая механическая прочность, приводящая к усталости и выходу из строя отдельных элементов.

В настоящее время с целью разработки устройств кросс-коммутации изучаются возможности применения полностью оптических технологий, использующих электрооптические и термооптические материалы [16, 17], полупроводниковые элементы [16,17], фотонные [18,19] и жидкие кристаллы [20] и др. материалы. Однако, опытные образцы устройств на основе этих материалов оказались даже менее успешными, чем выполненные по микрозеркальной технологии.

Постоянно возрастающий спрос на быстрое, надежное и недорогое оборудование для оптической коммутации стимулирует новые научные исследования и разработки в этой области. Анализ показывает, что в дальнейшем развитии коммутаторов необходимо максимально стремиться к созданию полностью оптических сетей. В них все процессы передачи, приёма обработки и коммутации сигналов должны происходить на чисто фотонном уровне, без участия электронных процессов и электронных устройств в самом канале передачи информационных сигналов. Кроме того, необходимо предусмотреть максимальную параллельность процесса коммутации при минимальном уровне пересечений каналов (т. е. при отсутствии их взаимной блокировки) и управляющих электрических цепей, а также простую и быструю подготовку коммутатора к работе (настройку).

В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы являлась разработка полностью оптического метода параллельной коммутации NxN волноводных каналов и исследование возможных путей его реализации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка нового метода параллельной кросс-коммутации КхИ каналов.

2. Разработка конструктивной схемы кросс-коммутатора оптических сигналов для параллельной коммутации ИхИ каналов.

3. Разработка алгоритма управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написание программы, реализующей разработанный алгоритм.

4. Исследование материалов и процессов, потенциально приемлемых для реализации нового метода параллельной кросс-коммутации N каналов, включающего указанные в п.п. 1,2,3 схемы и алгоритм.

5. Разработка функциональной схемы коммутации оптических каналов с применением ячеек полного внутреннего отражения и моделирование работы коммутатора на 8x8 каналов.

6. Разработка функциональной схемы коммутации оптических каналов с применением фоторефрактивных волноводов и моделирование работы коммутатора на 8x8 каналов.

7. Оценка возможной конфигурации и функциональных параметров разрабатываемого коммутатора с применением ячеек полного внутреннего отражения и фоторефрактивных материалов в оптических волноводах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен новый метод параллельной кросс-коммутации ИхИ каналов с поразрядным, начиная со старшего разряда адреса, управлением процессом настройки и постадийным (к=^2М стадий) прохождением оптических сигналов к заданным адресам, обеспечивающий максимальную параллельность процесса коммутации и отсутствие пересечений управляющих цепей.

2. Впервые предложена конструктивная схема устройства для реализации параллельной коммутации КхК оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.

3. Впервые разработан алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также написана программа, реализующая разработанный алгоритм.

4. На основании анализа материалов и процессов, потенциально приемлемых для сборки каналов, впервые предложены подходящие для ее реализации элементы, обеспечивающие надежную работу коммутатора и простую и быструю его подготовку к работе, а именно: электрооптические ячейки полного внутреннего отражения в оптических волноводах и сами оптические волноводы, выполненные из фоторефрактивного материала.

5. Впервые предложена функциональная схема параллельной коммутации каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах и промоделирована работа коммутатора на 8x8 каналов.

6. Впервые предложена функциональная схема параллельной коммутации каналов с использованием фоторефрактивного материала для сборки каналов в оптических волноводах и промоделирована работа коммутатора на 8x8 каналов.

7. Впервые выполнена оценка возможных параметров разрабатываемого коммутатора с ячейками полного внутреннего отражения и фоторефрактивным материалом в оптических волноводах.

Таким образом, научное значение диссертационной работы состоит в разработке нового метода полностью оптической параллельной коммутации оптических каналов и в предложении двух вариантов реализации коммутатора, соответствующих этому методу и наиболее полно удовлетворяющих требованиям к коммутаторам.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что разработанные в ней метод параллельной полностью оптической коммутации с поразрядной настройкой и варианты его реализации служат практической базой

для создания эффективного устройства коммутации ИхИ оптических каналов, отличающегося простотой и надежностью, быстрой настройкой, отсутствием блокировки каналов и пересечений управляющих цепей, возможностью блочной конструкции коммутатора и наращивания (без принципиальных ограничений) числа коммутируемых каналов.

Это делает возможным применение нового метода и реализуемого на его базе устройства коммутации оптических каналов во многих современных и перспективных системах передачи, приема и перераспределения информационных сигналов, включая телекоммуникационные системы, системы обработки информации и вычисления данных (в том числе суперкомпьютеры), волоконно-оптические и спутниковые системы связи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Новый метод параллельной коммутации ИхИ каналов, заключающийся в поразрядном, начиная со старшего разряда адреса, управлении процессом настройки и в постадийном (к=^2Н стадий) прохождении оптических сигналов к заданным адресам.

2. Конструктивная схема кросс-коммутатора для реализации параллельной коммутации ЫхМ оптических каналов с поразрядным управлением процессом настройки, включающая оптические элементы ввода данных, их удвоения, инверсии и обратной сборки (уплотнения) каналов.

3. Алгоритм управления переключением связей входных и выходных каналов коммутатора (его переконфигурации), а также программа, реализующая разработанный алгоритм.

4. Функциональная схема коммутации МхМ оптических каналов с использованием ячеек полного внутреннего отражения для сборки каналов в оптических волноводах.

5. Функциональная схема коммутации ИхМ оптических каналов с использованием фоторефрактивных материалов для сборки каналов в оптических волноводах.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях: на всероссийском заочном конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых (МФТИ, Москва, 2012); на X всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (СФ ФИАН, Самара, 2012); на всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике (НИЯУ МИФИ, Москва, 2012); на всероссийском конкурсе молодых физиков (ФИАН, Москва, 2010); на научной сессии НИЯУ МИФИ (НИЯУ МИФИ, Москва, 2010); на XIII международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «Молодёжь и наука» (НИЯУ МИФИ, Москва, 2010).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано печатных работ: 3 статьи в рецензируемых журналах, указанных в перечне ВАК, 1 - в трудах международных конференций, 4 - в трудах всероссийских конференций, 3 патента РФ на изобретения.

ГЛАВА 1

Основные методы и устройства оптической коммутации

На момент постановки диссертационной работы был известен ряд технологий создания оптических коммутаторов, из которых ниже будут рассмотрены следующие:

- оптический коммутатор на механическом принципе;

- электрооптический коммутатор;

- термооптический коммутатор;

- коммутатор на основе полупроводниковых оптических усилителей;

- интегральный активно-волноводный коммутатор;

- коммутатор на фотонных кристаллах;

- коммутатор на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах;

- коммутатор на матрицах оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом;

- коммутатор на основе однонаправленных распределено-связанных волн;

- акустооптический коммутатор;

- коммутатор на основе управляемого эффекта полного внутреннего отражения в электрооптическом материале волноводов;

- коммутатор на основе оптических волноводов, выполненных из фоторефрактивного материала;

- коммутатор на основе использования кремниевой нанофотоники.

1.1. Механический принцип оптической коммутации

Оптические коммутаторы на механическом принципе работы используют механическое перемещение элемента, коммутирующего световой поток от входных оптических портов к выходным, к которым подключены оптические волноводы.

Известны три типа коммутирующих элементов [13, 14, 15, 21]:

вращающийся отрезок оптического волновода, поворачиваемый на определенный фиксированный угол для соединения входного порта с выходным портом, расположенным по окружности;

вращающаяся призма или зеркало (плоское или сферическое вогнутое), направляющие луч от входного порта на выходной при повороте на определенный фиксированный угол;

направленные звездообразные/древовидные разветвители,

фокусирующие световой поток на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента связи при механическом воздействии на разветвитель в зоне оптической связи (например, посредством скручивания или растяжения).

Механические оптические коммутаторы имеют один или два (дуплексные коммутаторы) входных и п выходных портов; их время переключения - от 10 до 500 мс. Следовательно, они применимы только для автоматической реконфигурации сети. Достоинство этих устройств - небольшие вносимые потери (до 0,5 дБ) и большое переходное затухание (до - 80 дБ). Емкость коммутаторов данного типа достигает сотен выходных портов. Однако число входных портов, как правило, ограничено одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее проработаны, их применение в системах большой размерности проблематично не только с точки

зрения числа входов и низкого быстродействия, но и из-за сложности управления процессом коммутации.

Более совершенными являются электро-механические оптические коммутаторы, построенные по микрозеркальной технологии [22], в соответствии с которой на двух одинаковых пьезоэлектрических столбиках крепится миниатюрное (микро) зеркало. При приложении к столбикам электрического напряжения противоположной полярности зеркало отклоняется. Угол отклонения зеркала составляет около 0,25 градусов при приложенном напряжении порядка 30 В.

На электро-механическом принципе созданы и получившие в последние годы распространение матричные кросс-коммутаторы. Каждый элемент матрицы - это цифровое микрозеркальное устройство (БМБ в английской аббревиатуре), которое состоит из микрозеркала, укрепленного на поворотной системе сложной конструкции, и ячейки памяти, управляющей отклонением микрозеркала (рис. 1.1.). Размер элементарной ячейки БМБ матрицы - 17 мкм, угол отклонения зеркала 10 град., время переключения 15 мкс.

Матричные зеркальные коммутаторы, иначе называемые микро-электро-механическими системами (МЭМС), могут включать в себя сотни и даже тысячи микрозеркал, размещенных на одной управляющей кремниевой подложке. Сфокусированные световые лучи, попадая в эти зеркала, отражаются от них и перенаправляются в соответствующий выходной порт.

Основными недостатками таких коммутаторов являются сложность изготовления (зеркала должны иметь близкую к 100% отражательную способность, малую дисперсию и аберрацию) и низкая механическая прочность, приводящая к усталости и выходу из строя отдельных элементов. Серьезным недостатком МЭМС является и потеря мощности сигнала при его многократных отражениях, достигающая нескольких децибел. Кроме того, пока не удается обеспечить достаточно высокую плотность заполнения элементов в матрице.

На основе МЭМС существуют коммутаторы с конфигурацией 64x64 портов, однако это достигается за счет ухудшения общей надежности. Все еще

находится в стадии разработки и вопрос обеспечения точности и стабильности угла поворота зеркала.

Микрозеркало

Подставка микрозеркала

Контактная площадка

Мсста касания основания площадкой

Основание

Кончики площадки, упирающиеся в основание при наклоне

Под каждый элементом ячейка памяти SRAM

Гибкое крепление

Шасси

Площадка, на которую крепится микроэеркало

Управляющий электрод

Подставка электрода

Рис. 1.1. — Устройство оптического коммутатора на микрозеркалах

1.2. Метод электрооптической коммутации

Электрооптические коммутаторы (ЭОК) используют направленные разветвители для фокусировки светового потока на одном из выходных портов за счет управления коэффициентом связи посредством изменения коэффициента преломления материала разветвителя в зоне оптической связи [16, 17].

Пример такого устройства - ЭОК с волноводами из ниобата лития 1л№>03, коэффициент преломления которого изменяется под действием напряжения, приложенного к двум электродам в зоне оптической связи (рис. 1.2.). ЭОК обладает исключительно высокой скоростью переключения (порядка 10-100 пс), ограниченной паразитной емкостью электродов и может использоваться для реализации очень высоких скоростей переключения, требуемых для внешних модуляторов. Емкость коммутаторов этого типа мала (2x2), хотя ее можно увеличить, разместив несколько коммутаторов на одной подложке. Кроме того, у ЭОК относительно высоки вносимые и поляризационные потери.

Рис. 1.2. - Схема электрооптического коммутатора

1.3. Метод термооптической коммутации

Работа термооптического коммутатора основана на изменении коэффициента преломления материала под действием температуры [16, 17]. В

качестве коммутирующего устройства используется интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ), материал волноводов которого под действием температуры изменяет эффективный коэффициент преломления пэф, а следовательно, и Ъ — постоянную распространения световой моды (так как Ь=2ттэф/Х). Это в свою очередь ведет к изменению разности фаз между двумя плечами интерферометра (рис. 1.З.), инициирующего посылку входного сигнала с одного выхода на другой.

Базовыми являются коммутирующие элементы емкостью 2x2 каналов (рис. 1.З.), которые при определенном каскадировании позволяют сформировать коммутаторы емкостью 8x8 каналов.

Основой базового элемента является ИМЦ, построенный из двух последовательно включенных направленных разветвителей, связанных между собой двумя оптическими волноводами различной длины, для создания разности фаз ЛЬ (рис. 1.З.). Учитывая, что каждый направленный разветвитель создает на выходах разность фаз я/2, получаем разность фаз (п+ЬАЬ) на выходе 1 и ЪАЬ на выходе 2. Выбирая АЬ так, что ЪАЬ=кп, получаем разность фаз между выходами, равную ж, т. е. сигнал со входа 1 попадает или на выход 1, если для него равенство соответствует нечетному к, или на вход 2, если это равенство соответствует к четному. Локальный дозированный импульсный нагрев элемента, изменяющий левую часть равенства, эквивалентен изменению четности к, т.е. приводит к факту коммутации сигнала с одного выхода на другой.

Рис. 1.3. - Схема термооптического коммутатора

Термическая специфика делает данные устройства достаточно инерционными: их время переключения превышает единицы мс. Кроме того, они обладают большими вносимыми потерями и малым переходным затуханием, хотя последнее улучшается, если подложки коммутатора выполнены не из кварцевого стекла, а из специальных полимеров.

1.4. Коммутация на основе полупроводниковых оптических усилителей

Оптоэлектронные коммутаторы созданы на основе полупроводниковых оптических усилителей (111ЮУ), в частности, лазерных усилителей с резонатором Фабри-Перо в цепи обратной связи, где в качестве параметра управления коммутацией используется напряжение смещения [16, 17]. При малом напряжении смещения происходит поглощение входного сигнала усилителем -состояние "выключено". При увеличении напряжения восстанавливается нормальное усиление сигнала - состояние "включено". Именно сочетание нормального усиления с отсечкой сигнала позволяет использовать 111 ЮУ в качестве оптоэлектронного коммутатора.

Данный коммутатор обладает достаточно высоким быстродействием (порядка 1 не) переключения состояния. На его основе совместно с пассивными оптическими компонентами - разветвителями можно строить коммутаторы большой емкости, хотя высокая стоимость ППОУ как отдельного элемента делает это решение неконкурентным по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, у которых сопоставимые по быстродействию характеристики. Однако использование интегральных технологий в направлении совместной интегральной реализации пассивных (разветвители) и активных (усилители) компонентов может привести к конкурентным по ценам решениям, как показывает нижеследующий тип коммутатора.

1.5. Метод интегральной активно-волноводной коммутации

Разработка интегральных активно-волноводных коммутаторов [23] - это логическое развитие идей оптоэлектронных коммутаторов на основе полупроводниковых оптических усилителей (ППОУ). Результатом стало объединение в единую оптоэлектронную интегральную схему (ОЭИС) полупроводниковых ОУ и оптических волноводных устройств, связывающих отдельные элементы системы в единый узел коммутатора, соответствующий выбранной для него топологической схеме.

ОЭИС представляет собой многослойную монолитную ИС, в структуре которой сформированы: оптический волновод, ОУ, лазер, оптический модулятор, детектор, приемник и передатчик (рис. 1.4.). Основой ОЭИС является активно-волноводная гетероструктура с выделенным "волноводным" слоем.

рЧпСаАв

р 1пР

.ЧЮСН-ОН

Ток через переход

Рис. 1.4. - Схема интегрального активно-волноводного коммутатора

Показатель преломления такого слоя имеет ступенчатый профиль, обусловленный квантовыми потенциальными ямами (КПЯ), которые служат ловушками для носителей заряда. Волноводный слой получен эпитаксиальным

выращиванием слоя ГпваАзР между двумя слоями 1пР (р-типа сверху и п-типа снизу), формирующими р-п-переход. Из-за меньшей ширины запрещенной зоны в таком слое происходит приток носителей (дырок и электронов), "оседающих" в КПЯ. В результате образуется избыток носителей, которые могут рекомбинировать под действием оптического сигнала, распространяющегося по волноводу, создавая условия для оптического усиления сигнала в полосе примерно 60 нм с центральной длиной волны 1550 нм. Такая структура, называемая активно-волноводной, позволяет осуществить ряд функций по обработке сигнала путем изменения ее конфигурации и условий функционирования.

При обратно-смещенном р-п-переходе тока через него нет. КПЯ поглощают фотоны, и устройство работает как оптический аттенюатор. При умеренном токе через переход оно функционирует аналогично оптическому проводнику без потерь. При больших токах волновод становится оптическим усилителем с коэффициентом усиления порядка 18 дБ/мм на длине волны 1550 нм. Управляя током через переход (посредством контакта наверху "гребня" гетероструктуры), можно модулировать световой поток в волноводе.

При реализации оптической схемы коммутатора необходимо изменить направление оптического сигнала в волноводе на 90°. Этот поворот происходит посредством полного внутреннего отражения (ПВО) сигнала от граней, вытравленных в гетероструктуре в месте стыка волноводов. ПВО при угле падения до 45° возможно благодаря большому (-3,5) коэффициенту преломления слоя кЮаАБР.

Объединяя четыре базовых элемента 2x2, получают активно-волноводный коммутатор емкостью 4x4. Как правило, их формируют в виде ОЭИС размером 2x3 мм с 5-мкм оптическими волноводами. Длина волноводов между любыми входными/выходными портами одинакова, чтобы коэффициенты усиления и отношения сигнал/шум были равными.

Одна из основных проблем оптических активно-волноводных коммутаторов - поворот луча на 90°. Для этого в них использованы интегральные аналоги

оптических угловых призм. Однако ту же задачу с успехом решают фотонные кристаллы (см. следующий раздел 1.6.).

1.6. Коммутация на основе использования фотонных кристаллов

Задачу коммутации волноводов могут решать также фотонные кристаллы (ФК) - периодические диэлектрические структуры с запрещенной зоной, препятствующей распространению света определенного частотного диапазона [18]. Насколько известно из источников, идея создания таких структур была независимо высказана двумя исследователями (E.Yablonovitch и S.John) в 1987 году [24].

В простейшем случае ФК можно получить путем добавления периодической структуры к обычному оптическому волноводу. Технологический процесс заключается в осаждении слоя кремния на подложку Si02 с

последующим формированием в Si-слое точечных дефектов, в целом периодических, но с локальной нерегулярностью, которая и создает необходимые эффекты. Регулярные структуры интегральных оптических волноводов (или диэлектрических стержней) с круглым, прямоугольным или шестигранным сечением позволяют формировать диэлектрическую (оптическую) и даже гибридную (диэлектрически-металлическую) кристаллические структуры, обладающие уникальными свойствами [25].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Неевина, Татьяна Александровна, 2014 год

Список литературы:

1. Введение в интегральную оптику // Под ред. М. Барноски, М.: Мир (1977).

2. Интегральная оптика // Под ред. Т. Тамира, М.: Мир (1978).

3. Хансперджер Р. Интегральная оптика // М.: Мир (1985).

4. Ярив А. Квантовая электроника // М.: Сов. Радио (1980).

5. Ярив А. Введение в оптическую электронику // М.: Высшая школа (1982).

6. Маркузе Д. Оптические волноводы // М.: Мир (1974).

7. Снайдер А, Лав Дж. Теория оптических волноводов // М.: Радио и связь (1987).

8. Тауэр Дж. Оптические системы связи волноводов // М.: Радио и связь (1989).

9. Ахманов С.А., Хохлов Р.В. Проблемы нелинейной оптики // М.: Наука (1964).

10. Бломберген Н. Нелинейная оптика // М.: Мир (1966).

11. Цернике Ф. Мидвинтер Дж. Прикладная нелинейная оптика // М.:Мир (1976).

12. Ахманов С.А, Выслоух В.А, Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов // М.: Наука (1988).

13. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети // М.: Эко-Трендз, с. 269 (1998).

14. Palais J.C. Passive Optical Components. In "The Communications Handbook" // CRC Press with IEEE Press, p. 824-831 (1997).

15. Ramaswami R., Sivarajan K.N. Optical Networks: A practical perspective // Morgan Kaufmann Publishers, Inc. San Francisco, California, p. 632 (1998).

16. Слепов H.H. Оптические кросс-коммутаторы. Принципы реализации и архитектура // Электроника: НТБ, №6 (1999).

17. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи // М.: Радио и связь, с. 325-333 (2000).

18. Photonic Crystal Research. [Электронный ресурс] http://jdj.mit.edu/photons/index.html (дата обращения 01.03.2013).

19. Fan Sh., Villeneuve P.R., Joannopouls J.D., Haus H.A. Channel Drop Filters in Photonic Crystals // Optics Express 4, Vol. 3, №1 (6 July 1998).

20. Мокрышев В., Мокрышев С. Оптоэлектронный процессор. Новые принципы обработки оптической информации //Электроника, №4, с. 24-27 (1999).

21. Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения // Перевод с английского. Учебное пособие в 2 томах. Т2. с. 635-664 (2012)

22. Tew, Claude Е. Micromirror optical switch // US Patent № 6618520 (2001).

23. Balestra Ch.L., Shanley J.F. Optical Switches Link Fibers for Fast Cost-Effective Networks. In "The Photonics Design &Application Handbook" // 44-th International Ed., A Laurin Publishing Co. Inc., p.H395-H398 (1998).

24. Birks T.A., Roberts P.J. etc. Full 2-D photonic bandgap in silica/air structures // IEE Electr. Letters, Vol.31, p.1941-1943 (1995).

25. Слепов H.H. Фотонные кристаллы // Электроника: НТБ, №2 (2000).

26. Нелин Е.А. Устройства на основе фотонных кристаллов // Функциональная микроэлектроника, №3, с. 18-25 (2004).

27. Shanhui F., Villeneuve P. R. etc. Channel drop filters in photonic crystals // OPTICS EXPRESS, Vol. 3, №1 (1998).

28. Мокрышев В.В., Мокрышев С.В. Оптоэлектронный узел // Патент РФ № 2158020(1999).

29. Guilfoyle Peter S., Miceli William J. etc. Optoelectronic Architecture for HighSpeed Switchig and Processing Applications. In "The Photonics Design &Application Handbook" // 44-th International Ed., A Laurin Publishing Co. Inc., p. H399 - H406 (1998).

30. Майер A.A. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределено-связанных волн и устройство для его осуществления // Патент РФ №2129721 (1999).

31. Майер А.А. Оптическое самопереключение однонаправленных распределенно-связанных волн // УФН, т.165, с. 1037-1075 (1995).

32. Майер А.А. Экспериментальное наблюдение явления самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн // УФН, т. 166, с. 1171-1196 (1996).

33. Майер А.А., Ситарский К.Ю. Способ управления коэффициентом преобразования мощности излучения с одной частоты на другую // Авторское свидетельство СССР №1593438 (1987).

34. Майер А.А., Ситарский К.Ю. Переключение излучения с одной частоты на другую в квадратично-нелинейной среде и оптический транзистор на его основе // М.: Препринт ИОФАН, №222 (1987).

35. Давыдов А.И. Акустооптический коммутатор волоконно-оптических линий связи для информационно-измерительных систем // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии, №4 (20), с. 12-17 (2012).

36. Антонов С.Н., Вайнер А.В. и др. Способ двухкоординатного отклонения оптического излучения // Патент РФ № 2355007 (2007).

37. Skinner J. D., McCormack J. S. Optical switch // US Patent № 4828362 (1989).

38. Wang Yu. Efficient color filtering and beam steering based on controlled total internal reflection // US Patent № 6278540 (2001).

39. Геокчаев Ф.Г. Многоканальный волоконно-оптический коммутатор // Патент РФ №2107318 (1998).

40. Петров М. П., Степанов С. И. и др. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике // СПб.: Наука (1992).

41. Петров М. П., Степанов С. И. и др. Фоточувствительные электрооптические среды в голографии и обработке информации // Д.: Наука (1983).

42. Gunter P., Huignard J. Photorefractive materials and their applications, II. Applications // Heidelberg, Springer Verlag (1989).

43. Е.Лебеденко. SNIPER: светлое будущее кремниевой нанофотоники // Издательский дом «КОМПЬЮТЕРРА» (2011).

44. Jalali В., Fathpour S. Silicon Photonics // J. of Lightwave Technology, V. 24, # 12, 4600-4615 (2006).

45. Жианвей By и др. Свойства сверхбыстрого чисто оптического коммутатора на основе интегрального кремниевого интерферометра Маха-Цендера // Квантовая электроника, №3 (2009).

46. Nishi К., Urino Y., Ohashi К. Si Nano-Photonics Innovate Next Generation Network Systems and LSI Technologies // NEC Technical J. (Special Issue: Nanotechnology), V. 2, #1, 67-71 (2007).

47. Компанец И.Н., Компанец С.И., Неевина T.A. Способ коммутации NxN оптических каналов и многоканальный коммутатор // Патент РФ №2456652, (2012).

48. Максимов Н.В., Партыка T.JI. и др. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем // М. ФОРУМ - ИНФРА, с. 316-317 (2005).

49. Нейман В.И. Эволюция цифровой техники коммутации // Радио, №8, с. 54-56 (1997).

50. Кучерявый А.Е., Нестеренко В.Д. и др.Стратегия развития сетей связи на основе новых технологий // Электросвязь, №1, с. 25-27 (2001).

51. Захаров Г.П., Симонов М.В, и др. Службы и архитектура широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания // М.: Эко-Трендз, с. 102 (1993).

52. Ефимушкин В., Дедовских Т. Коммутация в сетях ATM // Сети, №1, с. 26-31 (2000).

53. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM: технология высокоскоростных сетей // М.: Эко-Трендз, с. 12 (1997).

54. Компанец H.H., Неевина Т.А.. Метод параллельной коммутации оптических каналов // Квантовая электроника , №12, с. 1093-1096 (2012).

55. Edmund. Optics and optical instruments annual catalog, p. 160 (2013).

56. Физическая энциклопедия // Гл. ред. А.М.Прохоров. M.: Большая Российская энциклопедия. Т1-Т5, (1988-1998).

57. Продукция из Кристаллов Ниобата Лития [Электронный ресурс] http://elan-optics.com/rus/16.html (дата обращения 14.10.2013).

58. Liquid Crystal Spatial Light Modulators [Электронный ресурс]

http://wwwjenoptikxom/cms/jenoptik.nsf/res/SLM_en.pdf/$flle/SLM_en.pd обращения 14.10.2013).

59. Графеновые оптические модуляторы бьют рекорды скорости передачи сетевых данных [Электронный ресурс]

http://www.nanonewsnet.ru/news/201 l/grafenovye-opticheskie-modulyatory-byut-геко^у-8кого81ьре^асЫ-8е1еуук11^аппук]1 (дата обращения 14.10.2013).

60. Компанец И.Н., Неевина Т.А Способ коммутации оптических каналов и многоканальный коммутатор // Заявка на изобретение №2012145162 (приоритет 24.10.2012).

61. Ниобат лития [Электронный ресурс] http://elan-optics.com/rus/15.html (дата обращения 14.10.2013).

62. Характеристики ОаАз [Электронный ресурс] http://www.optotl.ru/mat/GaAs (дата обращения 14.10.2013).

63. МЕГАЭНДИКЛОПЕДИЯ КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ [Электронный ресурс] http://megabook.rU/article/TАЛЛИЯ%20АРСЕНИД (дата обращения 14.10.2013).

64. Электростекло [Электронный ресурс] http://www.elektrosteklo.ru/GaAs_rus.htm (дата обращения 14.10.2013).

65. Фоторефрактивные кристаллы [Электронный ресурс] http://elan-optics.com/rus/19.html (дата обращения 14.10.2013).

66. Компанец И.Н., Неевина Т.А Способ коммутации оптических каналов и многоканальный коммутатор // Заявка на изобретение №2012110328 (приоритет 20.03.2012).