Интегральная оптическая схема, имеющая встроенную упорядоченную волноводную решетку, и система оптической сети
Интегральная оптическая схема содержит группу оптических усилителей, сформированную в интегральной оптической схеме, и упорядоченную волноводную решетку, сформированную в интегральной оптической схеме и подключенную к группе оптических усилителей, группу волноводных элементов, соединенных с выходами указанной группы оптических усилителей, при этом указанная упорядоченная волноводная решетка имеет звездообразный ответвитель, соединенный с группой волноводных элементов. При этом группа оптических усилителей и упорядоченная волноводная решетка выполнены на основе оксида кремния. Технический результат - повышение мощности оптического сигнала, простота и дешивизна установки сети. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
Предпосылки изобретения
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к оптическим системам и компонентам, в частности к оптическим системам с интегрированными оптическими компонентами.
2. Уровень техники
Типичная оптическая сеть содержит приемопередатчики, усилители, мультиплексоры и демультиплексоры, усилители, коммутаторы и другие компоненты. Каждый передающий участок приемопередатчика преобразует электрический сигнал в оптический сигнал и запускает оптический сигнал в оптическое волокно. Мультиплексор объединяет отдельные оптические сигналы из каждого оптического волокна в многоканальный оптический сигнал и запускает многоканальный оптический сигнал в оптическое волокно. Демультиплексор выделяет каналы из многоканального оптического сигнала и запускает их в отдельные волокна. Затем каждый приемный участок приемопередатчика принимает оптический сигнал из волокна и преобразует его в электрический сигнал.
В настоящее время компоненты оптической сети являются дискретными компонентами, в том смысле, что каждый компонент осуществляет единичную функцию и подключен посредством оптических волокон к другим компонентам. Например, мультиплексор/демультиплексор на основе упорядоченной волноводной решетки (AWG) выполнен в виде отдельной интегральной схема (или чипа).
Волоконные усилители, легированные эрбием (ВУЛЭ) также являются большими и громоздкими подсистемами, состоящими из дискретных компонентов (мотка оптического волокна, легированного эрбием, лазера для генерации света накачки, циркуляторов для предотвращения обратного отражения света, волоконных объединителей для объединения света накачки и света сигнала и других компонентов).
В последние годы были изготовлены волноводные усилители, легированные эрбием (ВВУЛЭ), т.е. дискретные усилители на чипе, которые описаны в статье "8-mW Threshold Er3+-Doped Planar Waveguide Amplifier" (Плоский волноводный усилитель, легированный Er3+ с порогом 8 мВт), Руби Н. Гош (Ruby N. Gosh) и др., опубликованной в IEEE Photonics Technology Letters, т.8, №4, апрель 1996 г., которые описаны в статье "Integrate Planar Waveguide Amplifier with 15 dB gain at 1550 nm" (Интегральный плоский волноводный усилитель с коэффициентом усиления 15 дБ на длине волны 1550 нм), Дж.Шмулович (J.Shmulovich) и др., в Optical Fiber Communications '99 Technical Digest Post-deadline Paper PD-42, Сан-Диего, Калифорния, 1999 г., или описанные в статье "Erbium-doped silica-based waveguide amplifier integrated with a 980/1530 nm WDM coupler" (Волноводный усилитель, легированный эрбием, на основе диоксида кремния, объединенный с соединителем МДР 980/1530 нм), К.Хаттори (K.Hattori) и др., опубликованной в Electronic Letters, т.30, №11, 26 мая 1994 г.
Вышеописанные компоненты оптической сети обычно соединяются между собой с использованием оптического волокна и волоконных разъемов. Устройства сопряжения волокна с компонентом и волоконные разъемы обуславливают дополнительные потери мощности оптического сигнала, из-за чего приходится устанавливать еще больше усилителей, для поддержания сигнала выше уровня шума. Кроме того, наличие многочисленных дискретных компонентов затрудняет и удорожает установку, тестирование и перенастройку сетей.
Краткое описание чертежей
На чертежах подобные позиции, в целом, указывают одинаковые, функционально сходные и/или структурно эквивалентные элементы. Чертеж, в котором впервые появляется элемент, обозначен самой левой цифрой или цифрами позиции, в которых
фиг.1 - обобщенная блок-схема оптической сети, согласно известному уровню техники;
фиг.2 - обобщенная блок-схема иллюстративной оптической сети, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - обобщенная блок-схема иллюстративной оптической интегральной схемы, указанной на фиг.2 и согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 - обобщенная блок-схема альтернативного примера оптической интегральной схемы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 - обобщенная блок-схема альтернативного примера оптической интегральной схемы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения; и
фиг.6 и 7 - виды в разрезе, иллюстрирующие последовательные этапы изготовления оптической интегральной схемы, указанной на фиг.2-5 и согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Опишем подробно оптическую сеть, содержащую оптические интегральные схемы. В нижеследующем описании многочисленные конкретные детали, например, отдельные процессы, материалы, устройства и т.д. представлены для обеспечения полного понимания вариантов осуществления изобретения. Однако, специалисту в данной области понятно, что изобретение можно осуществить на практике без одной или нескольких таких конкретных деталей или с помощью других способов, компонентов и т.д. В других случаях, общеизвестные конструкции или операции не показаны или не описаны подробно, чтобы не усложнять описание различных вариантов осуществления изобретения.
Некоторые части описания будут представлены с использованием таких терминов, как волновод, оптическая интегральная схема, упорядоченная волноводная решетка (AWG), мультиплексор, демультиплексор, волноводный усилитель, коэффициент усиления, длина волны и т.д. Специалисты в данной области широко используют эти термины для отражения сущности своей работы для других специалистов.
Другие части описания будут представлены в терминах операций, осуществляемых компьютерной системой, с использованием таких терминов, как доступ, определение, подсчет, передача и т.д. Специалистам в данной области хорошо известно, что эти величины и операции принимают форму электрических, магнитных или оптических сигналов, которые можно сохранять, переносить, объединять или иначе обрабатывать посредством механических и электрических компонентов компьютерной системы; наконец, термин «компьютерная система» включает в себя машины, системы и т.п. обработки данных общего или специального назначения, которые могут быть автономными, присоединенными или встроенными.
Различные операции будут описаны в виде множественных дискретных блоков, осуществляемых по очереди, так, чтобы это наилучшим образом помогало понять изобретение. Однако порядок, в котором они описаны, не следует истолковывать в том смысле, что эти операции обязательно зависят от порядка или что операции выполняются в порядке, в котором представлены блоки.
Ссылка в этом описании изобретения на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает конкретную особенность, конструкцию, процесс, блок или характеристику, описанную в связи с вариантом осуществления настоящего изобретения. Таким образом, выражения «в одном варианте осуществления» или «согласно варианту осуществления», появляющиеся в различных местах данного описания осуществления, не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные особенности конструкции или характеристики можно объединять любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах осуществления.
На фиг.1 показана обобщенная блок-схема оптической сети 100, согласно известному уровню техники. Оптическая сеть 100 может осуществлять плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (ПМДР), в котором множественные длины волны света, каждая из которых несет отдельный поток данных, объединяются в одном оптическом волокне, а затем снова разделяются на приемном конце. Обычно используются длины волны в диапазоне от 1530 до 1560 нанометров.
Оптическая сеть 100 содержит группу приемопередатчиков 102 и 108, которые могут представлять собой n приемопередатчиков и которые могут запускать оптические сигналы в оптические волокна 112 и 114 и принимать их оттуда, соответственно, которые также могут представлять собой n оптических волокон. Оптические волокна 112 и 114 могут подавать n одноканальных оптических сигналов на мультиплексоры/демультиплексоры 104 и 106 и отводить их оттуда, соответственно.
Мультиплексор/демультиплексор 104 является дискретным компонентом, который осуществляет плотное мультиплексирование с разделением по длине волны для объединения n одноканальных сигналов, принятых от приемопередатчиков 102, для получения многоканального оптического сигнала. Мультиплексор/демультиплексор 106 также является дискретным компонентом, который осуществляет плотное демультиплексирование с разделением по длине волны для разделения многоканального оптического сигнала на n одноканальных оптических сигналов соответственно. Мультиплексоры/демультиплексоры 104 и 106 могут быть выполнены на основе тонкопленочных фильтров или волоконных брэгговских решеток. Мультиплексоры/демультиплексоры 104 и 106 могут также быть выполнены в виде интегральной схемы, например, упорядоченной волноводной решетки (AWG). Оптические волокна 120, 122 и 124 являются дискретными компонентами, которые переносят многоканальные оптические сигналы между мультиплексором/демультиплексором 104, оптическими усилителями 130 и 132 и мультиплексором/демультиплексором 106, как показано на фиг.1.
Оптические усилители 130 и 132 подключены к мультиплексорам/демультиплексорам 104 и 106, соответственно, для усиления многоканальных оптических сигналов. Оптические усилители 130 и 132 представляют собой n дискретных оптических усилителей, размещенных в удаленных точках оптической сети 100, а также рядом с мультиплексорами/демультиплексорами 104 и 106. Оптическая сеть 100, хотя и описана применительно к распространению сигнала в одном направлении, обычно действует в двух направлениях, что является общеизвестным фактом.
На фиг.2 изображена обобщенная блок-схема оптической сети 200, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Одной особенностью оптической сети 200 является наличие оптических интегральных схем, которые объединяют в себе мультиплексоры, демультиплексоры и оптические усилители на едином чипе и подключены к приемопередатчикам.
Например, приемопередатчики 102 и 108 подключены к оптическим интегральным схемам 202 и 204 посредством оптических волокон 112 и 114 соответственно. Оптическая интегральная схема 202 содержит группу оптических усилителей 206 и мультиплексор 208. Оптическая интегральная схема 204 содержит единичный оптический усилитель 210 и демультиплексор 212. Оптическая интегральная схема 202 подключена к оптической интегральной схеме 204 посредством оптического волокна 222. Иллюстративные варианты осуществления оптических интегральных схем 202 и 204 описаны более подробно со ссылкой на фиг.3.
Например, оптическая интегральная схема 300 содержит, по меньшей мере, один оптический усилитель 302, подключенный к упорядоченной волноводной решетке (AWG) 304 посредством волноводного элемента 306. Оптические интегральные схемы 202 и 204 также включают в себя оптоволоконное устройство сопряжения 308, которое подает свет накачки в оптическую интегральную схему 202, оптоволоконное устройство сопряжения 310, которое подает свет оптического сигнала в оптическую интегральную схему 202, и оптоволоконное устройство сопряжения 312, которое выводит свет оптического сигнала из оптической интегральной схемы 202. Устройства, предназначенные для реализации оптоволоконных устройств сопряжения 308, 310 и 312, известные из уровня техники.
В одном варианте осуществления, AWG 304 демультиплексирует многоканальный оптический сигнал, поступающий от единичного оптического усилителя 302 по единичному волноводному элементу 306, на несколько одноканальных оптических сигналов. В альтернативном варианте осуществления AWG 304 мультиплексирует несколько одноканальных оптических сигналов, поступающих от нескольких оптических усилителей 302 по нескольким волноводным элементам 306, в многоканальный оптический сигнал.
Оптический усилитель 302 подключен к оптоволоконным устройствам сопряжения 308 и 310 посредством волноводного элемента 314 света накачки и волноводного элемента 316 света оптического сигнала соответственно. Оптический усилитель 302 содержит объединитель 318, который может объединять свет накачки со светом оптического сигнала. В одном варианте осуществления объединитель 318 выполнен в виде миниатюрного соединителя между волноводными элементами 314 и 315. Оптический усилитель 302 также содержит часть 320 усилителя, которая, в одном варианте осуществления, представляет собой волноводный элемент 314, локально легированный (например, металлизированный) активным веществом, например, эрбием или ионами других редкоземельных элементов.
AWG 304 осуществляет мультиплексирование с разделением по длине волны, пропуская свет через решетку, выполненную из нескольких оптических волноводных элементов определенных различных длин и форм. Например, AWG 304 содержит входной звездообразный соединитель 322 и выходной звездообразный соединитель 324, которые оптически соединяют два конца оптической волноводной матрицы 332, соответственно, со входной группой волноводных элементов 326 и выходной группой волноводных элементов 328 соответственно. Выходная группа волноводных элементов 328 подключена к оптоволоконному устройству сопряжения 312. Поскольку все компоненты оптической интегральной схемы 202 соединены посредством волноводных элементов, потери оптической мощности меньше, чем в случае соединения дискретных оптических компонентов посредством оптического волокна.
Одна особенность иллюстративной оптической интегральной схемы 202 заключается в том, что все каналы многоканального оптического сигнала, усиливаемые оптическим усилителем 302, усиливаются в части 320 усилителя. Однако коэффициент усиления в данном варианте осуществления может ограничиваться суммарной мощностью, поступающей от источника накачки. Кроме того, разные длины волны (или каналы) получают разное усиление, которое определяется силой связи перехода в активном веществе (например, ионов эрбия) в процессе усиления. Иллюстративный оптический усилитель 302 в большей степени усиливает канал с наибольшей входной амплитудой в ущерб более слабым входным каналам. Неравномерное усиление каналов может приводить к снижению отношений сигнал/шум (С/Ш) для недостаточно усиливаемых каналов. Дополнительно, AWG, например, AWG 304, обычно имеют неравномерный спектр пропускания (т.е. зависимость пропускания от длины волны).
В одном варианте осуществления, конструкцию волноводных элементов в AWG 304 регулируют для компенсирования неравномерного усиления каналов. В одном варианте осуществления, форму и ширину волноводов изменяют в месте стыка между звездообразными соединителями 322 и 324 и волноводной матрицей 332. Таким образом, обеспечивают разные распределения интенсивности света на стыке между звездообразным соединителем 324 и выходными волноводными элементами 328 и, следовательно, другое распределение пропускания по волноводным элементам 328.
На фиг.4 показана обобщенная блок-схема альтернативного примера оптической интегральной схемы 400, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Иллюстративная оптическая интегральная схема 400 содержит AWG 402, подключенную к группе оптических усилителей 404 и AWG 406 посредством группы волноводных элементов 408 и 410. Иллюстративная оптическая интегральная схема может входить в состав оптической сети, например, оптической сети 200. В ходе работы иллюстративная AWG 402 демультиплексирует многоканальный оптический сигнал в несколько одноканальных оптических сигналов. Каждый одноканальный оптический сигнал усиливается отдельно одним из оптических усилителей из группы оптических усилителей 404. Затем AWG 406 мультиплексирует усиленные одноканальные оптические сигналы. Параметры каждого оптического усилителя в группе оптических усилителей 404 выбирают таким образом, чтобы обеспечить одинаковое усиление всех каналов.
На фиг.5 изображена обобщенная блок-схема альтернативного примера оптической интегральной схемы 500, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Иллюстративная оптическая интегральная схема 500 содержит группу оптоволоконных устройств сопряжения 502, которые подают свет накачки в оптическую интегральную схему 500, оптоволоконное устройство сопряжения 504, которое подает свет оптического сигнала в оптическую интегральную схему 500, и группу оптоволоконных устройств сопряжения 506, которые выводят свет оптического сигнала из оптической интегральной схемы 500. Устройства, предназначенные для реализации оптоволоконных устройств сопряжения 502, 504 и 506, общеизвестны из уровня техники.
Иллюстративная оптическая интегральная схема 500 содержит AWG 501, которая содержит входной звездообразный соединитель 522 и выходной звездообразный соединитель 524, которые могут оптически соединять два конца оптической волноводной матрицы 532, соответственно, со входной группой волноводных элементов 526 и с выходной группой волноводных элементов 528 соответственно. Выходная группа волноводных элементов 528 подключена к группе оптических усилителей 505.
Группа оптических усилителей 505 содержит группу объединителей 510, состоящую из группы волноводных элементов 512 света накачки и группы волноводных элементов 514 света сигнала. Группа оптических усилителей 505 также содержит группу частей 520 усилителя. Согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.5, каждый отдельный оптический усилитель 505 может усиливать один из n одноканальных оптических сигналов. В одном варианте осуществления длины отдельных оптических усилителей настраивают для компенсации неравномерного спектра усиления AWG 501.
Оптическая интегральная схема, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения (например, оптическая интегральная схема 202, 204, 300, 400 и/или 500) является планарной световодной схемой (ПСС) на кремниевой подложке, изготовленной с использованием соответствующего оборудования для обработки полупроводников. На фиг.6 показан вид в разрезе 600, демонстрирующий процесс изготовления оптических интегральных схем, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Слой 604 диоксида кремния (SiO2) может быть осажден на кремниевую подложку 602 для формирования нижней оболочки для оптических волноводов с использованием, например, термического окисления. Слой 606 диоксида кремния, германия и эрбия (например, SiO2+Ge+Er3+) может быть осажден на первый слой SiO2 с использованием, например, газоплазменного гидролизного осаждения или химического осаждения из паровой фазы.
На фиг.7 показана схема, демонстрирующая еще один способ изготовления оптической интегральной схемы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения (например, оптической интегральной схемы 202, 204, 300, 400 и/или 500). Например, несколько элементов 702 сердцевины волновода формируют на оптической интегральной схеме 106 с использованием химических процессов, удаляя все, кроме избранных участков слоя 606 SiO2+Ge+Er3+, например, путем реактивного ионного травления. Слой 720 SiO2 может быть осажден поверх оптических волноводных элементов 702 с использованием, например, газоплазменного гидролизного осаждения или химического осаждения из паровой фазы.
Оптическая сеть, содержащая оптическую интегральную схему 106, в которой на одном чипе объединены оптические компоненты, имеет ряд преимуществ. Первое состоит в снижении стоимости, поскольку отдельные оптические интегральные схемы (например, оптические усилители с AWG) можно изготавливать с использованием тех же процессов, которые используются для изготовления электронных компонентов (например, путем обработки полупроводников в заводских условиях). Это значит, что добавление компонентов на чип обеспечивает функциональные возможности нескольких дискретных компонентов при небольшом увеличении цены по сравнению с одним встроенным компонентом.
Второе преимущество состоит в экономии энергии, поскольку благодаря объединению компонентов на едином чипе оптические потери снижаются в связи с уменьшением количества соединений посредством оптического волокна. Традиционно, каждый дискретный компонент подключают посредством оптического волокна, и каждое соединение приводит к потерям мощности, а потери мощности накапливаются на совокупности соединений.
Третье преимущество состоит в экономии места в оптической сети, т.е. чипы могут быть меньше, и традиционные подсистемы на основе стеллажей можно уменьшить в размерах до подсистем на основе плат. Кроме того, подсистемы на основе плат также обеспечивают экономию затрат при интеграции систем и тестировании систем.
Варианты осуществления изобретения можно реализовать с использованием оборудования, программного обеспечения или сочетания оборудования и программного обеспечения. Такие реализации включают в себя конечные автоматы и специализированные интегральные схемы (СИС). В реализациях с использованием программного обеспечения, программное обеспечение может храниться на изделии компьютерной программы (например, на оптическом диске, магнитном диске, флоппи-диске и т.д.) или в устройстве хранения программ (приводе оптического диска, приводе магнитного диска, приводе флоппи-диска и т.д.).
Вышеприведенное описание иллюстративных вариантов осуществления изобретения не претендует на полноту или ограничение изобретения именно раскрытыми формами. Хотя конкретные варианты осуществления и примеры изобретения описаны здесь в иллюстративных целях, специалисты в данной области могут предложить различные эквивалентные модификации, отвечающие объему изобретения. Эти модификации изобретения очевидны из вышеизложенного подробного описания.
Термины, используемые в нижеследующей формуле изобретения, не следует рассматривать в порядке ограничения изобретения конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в описании изобретения и формуле изобретения. Напротив, объем изобретения следует определять целиком согласно нижеследующей формуле изобретения, которую следует рассматривать в соответствии с утвержденными аспектами интерпретации формулы изобретения.
1. Интегральная оптическая схема, содержащая группу оптических усилителей, сформированную в интегральной оптической схеме, и упорядоченную волноводную решетку, сформированную в интегральной оптической схеме и подключенную к группе оптических усилителей, группу волноводных элементов, соединенных с выходами указанной группы оптических усилителей, при этом указанная упорядоченная волноводная решетка имеет звездообразный ответвитель, соединенный с группой волноводных элементов, отличающаяся тем, что группа оптических усилителей и упорядоченная волноводная решетка выполнены на основе оксида кремния.
2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что указанная упорядоченная волноводная решетка подключена ко входам указанной группы оптических усилителей через группу входных волноводных элементов.
3. Схема по п.2, отличающаяся тем, что указанная упорядоченная волноводная решетка подключена к выходам указанной группы оптических усилителей через группу выходных волноводных элементов.
4. Схема по п.1, отличающаяся тем, что указанная группа оптических усилителей содержит группу участков усиления, подключенную к группе волноводных элементов.
5. Схема по п.1, отличающаяся тем, что каждый оптический усилитель в группе оптических усилителей имеет предварительно заданную длину для компенсации неравномерного спектра усиления указанной упорядоченной волноводной решетки.
6. Схема по п.5, отличающаяся тем, что каждый из указанной группы оптических усилителей содержит объединитель для объединения света накачки и света оптического сигнала.
7. Схема по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство сопряжения накачки для подачи света накачки на группу оптических усилителей.
8. Схема по п.6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство сопряжения оптического сигнала для подачи оптического сигнала на упорядоченную волноводную решетку.
9. Схема по п.1, отличающаяся тем, что упорядоченная волноводная решетка содержит волноводную матрицу, причем форма и ширина каждого волновода в волноводной матрице изменена для получения измененного распределения света на выходе волноводной матрицы упорядоченной волноводной решетки.
10. Система оптической сети, содержащая группу приемопередатчиков для подключения группы оптических каналов и интегральную оптическую схему, подключенную для приема группы оптических каналов от группы приемопередатчиков, причем оптическая интегральная схема содержит группу оптических усилителей, сформированную в интегральной оптической схеме, и упорядоченную волноводную решетку, сформированную в интегральной оптической схеме и подключенную к группе оптических усилителей, группу оптических элементов, соединенных с выходами указанной группы оптических усилителей, причем упорядоченная волноводная решетка имеет звездообразный ответвитель, подключенный к указанной группе волноводных элементов, отличающаяся тем, что группа оптических усилителей и упорядоченная волноводная решетка выполнены на основе оксида кремния.
11. Система по п.10, отличающаяся тем, что дополнительно содержит группу оптических волокон для подключения набора приемопередатчиков к оптической интегральной схеме.
12. Система по п.11, отличающаяся тем, что группа оптических сигналов содержит многоканальный оптический сигнал и упорядоченная волноводная решетка подключена для демультиплексирования многоканального оптического сигнала в группу одноканальных оптических сигналов.
13. Система по п.11, отличающаяся тем, что группа оптических сигналов содержит группу одноканальных оптических сигналов и упорядоченная волноводная решетка подключена для мультиплексирования группы одноканальных оптических сигналов в многоканальный оптический сигнал.
