ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ОДНОМОДОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER BASED ON SINGLE-MODE INTEGRATED OPTICAL WAVEGUIDES

Предлагаемое устройство относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации и может быть использовано для работы в одномодовых системах оптической обработки информации, в оптических и оптоэлектронных сенсорных системах, при построении оптических вычислительных машин.
Известен оптический цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), изготовленный на основе N оптических волноводов, каждый из которых (кроме N-го) разветвляется на два (фиг.1). Подобная волноводно-оптическая схема осуществляет преобразование N-разрядного кода, поступающего на вход устройства, в оптический аналоговый сигнал. (Соколов, С. В., Крамаров, С.О.Волноводная вычислительная оптика. Монография [Текст] / С. В.Соколов, С.О.Крамаров - Ростов-на-Дону: РВИРВ, 1999. - 266 с.).
Недостатком данного устройства является невозможность его использования в одномодовом режиме, так как в настоящее время в современных оптических системах связи и обработки информации используются, главным образом, одномодовые волоконные световоды и интегрально-оптические схемы. Смесительный элемент данного устройства, выполненный в виде волноводного Х-пересечения на основе многомодовых каналов, предназначен для работы только в многомодовом режиме.
Целью изобретения является создание конструкции оптического ЦАП для работы в одномодовом режиме при сопряжении аналоговых сигналов с цифровыми сигналами.
Цель достигается тем, что в смесительной части топология схемы ЦАП изменена для работы с одномодовым оптическим излучением. Для объединения цифровых оптических сигналов предложено использовать симметричные Y-разветвители на основе одномодовых волноводных каналов. При этом схема упрощена, так как исключены дополнительные выходы волноводов, имеющие второстепенное значение. Это дало возможность применить распространенные конфигурации симметричных планарных Y-разветвителей, используемых в волоконно-оптических системах связи для разделения оптических сигналов. В данном устройстве Y-разветвители используются в нестандартном для себя виде, в качестве объединителей сигналов цифрового кода в аналоговый сигнал.
В известном техническом решении имеются признаки, присущие заявленному решению. Это наличие N оптических волноводов на входе устройства и определенным образом соединенных разветвителей. Однако свойства заявленного решения отличаются от свойств известного решения тем, что в заявленном устройстве с целью работы в одномодовом режиме и упрощения конструкции изменена геометрическая конфигурация волноводов для объединения оптических сигналов. Также в предлагаемой конструкции нет дополнительных выходов аналогового сигнала. В связи с чем заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями от известного и обеспечивает возможность работы устройства в одномодовом режиме.
На чертежах представлено:
на фиг.1 изображен цифро-аналоговый преобразователь на основе N;
на фиг.2 изображено устройство ЦАП для оптических систем связи и обработки информации, предполагающих использование одномодового некогерентного излучения;
на фиг.3 изображена картина распространения направленной оптической волны в цифро-аналоговом преобразователе со стороны входов, соответствующих разрядам 0-3;
на фиг.4 изображена зависимость потерь оптической энергии от длины области разветвления.
1
2
N
i
i
1
N
N
1
2
N
N-1
Устройство работает следующим образом. При поступлении кодовой последовательности р, р, …, р в виде набора некогерентных световых импульсов интенсивности 2 усл.ед. (наличие импульса - р="1", отсутствие - р="0") на вход устройства осуществляется следующее преобразование кода (старший разряд которого р поступает на вход N-го волновода). Принцип работы устройства состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Световой импульс, поступающий на вход i-го волновода, через плечи Y-разветвителей проходит на выход устройства. На выходе таким образом формируется оптический сигнал S, интенсивность которого равна сумме импульсов, прошедших на выход со всех входов устройства через каскад Y-разветвителей. Сигнал S - аналоговая форма кода р, р, …, р. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда, вдвое больший, чем вес (i-1)-го разряда:
вых
1
2
3
∗
∗
∗
∗
I=I(р 1+p 2+р 4+…),
*
где I- интенсивность излучения, соответствующая весу младшего разряда.
N-1
N
N
Если интенсивность кодового импульса не 2 усл.ед., а 1 усл.ед., то S представляет собой аналоговую форму дроби, код которой поступает на вход устройства, причем старшим разрядом здесь является уже р (старший разряд поступает на вход 1-го волновода).
Для получения зависимости потерь Y-разветвителя от угла разветвления и картины распространения оптической волны в ЦАП теоретический анализ проводился с использованием метода распространяющегося пучка. При этом для сведения трехмерной задачи к двумерной использовался метод эффективного показателя преломления. Метод эффективного показателя преломления позволяет представить исследуемую волноводную структуру на основе канального волновода в виде суперпозиции двух планарных волноводов.
Согласно методу эффективного показателя преломления, поперечную компоненту электрического поля разделим по пространственным координатам:
x
E=Y(у)·X(x,z).
Исходное волновое уравнение для ТЕ-волн можно заменить двумя уравнениями:
,
,
х
где  - распределение показателя преломления эффективного планарного волновода. Для квази-ТМ-волн поперечная компонента Н представляется как:
x
H=Y(у)·X(x,z),
где функции Y(у) и Х(х) являются соответственно, решениями уравнений:
,
.
Таким образом, Y-разветвителю на основе канального волновода ставился в соответствии эффективный планарный профиль. В дальнейшем использовался анализ параксиально распространяющегося пучка, основанный на введении медленно меняющегося волнового пакета: Е<sub>у</sub>=X(х,z)е
хр(-ik<sub>0</sub>z) для ТЕ-волн и Н<sub>у</sub>=X(x,z)exp(-ik<sub>0</sub>z) для ТМ-волн. Исходная задача сводилась к решению уравнений:
;
.
Уравнения были решены конечно-элементным методом распространяющегося пучка с прозрачными граничными условиями.
Согласно стандартным конечно-элементным процедурам, область вычислительного окна разбивалась на большое количество одномерных элементов первого порядка. Применяя конечно-элементный метод Галеркина к волновому уравнению, получили следующую систему обыкновенных дифференциальных уравнений:
,
e
e
где матрицы жесткости для одного элемента разбиения [K] и [M] определяются как:
,
,
.
e
e
Г
Из матриц [K] и [M] получили глобальные матрицы для всей рассматриваемой вычислительной области путем ансамблирования. Матрица [K] отвечает за граничные условия задачи. Были использованы прозрачные граничные условия, применимые к распространению параксиальных пучков. Согласно этим условиям, поле на границах вычислительного окна должно иметь вид:
,
x
где k - поперечная проекция волнового вектора.
x
Основные преимущества прозрачных граничных условий заключаются, во-первых, в их независимости от вида рассматриваемой волноводной структуры и, во-вторых, в возможности использования меньшего по размерам вычислительного окна, чем в анализе распространяющегося пучка с поглощающими граничными условиями. Практически введение таких граничных условий в конечно-элементную схему решения волнового уравнения сводится к вычислению на каждом шаге распространения величины k и ее корректировке для подавления отражения от границ вычислительного окна.
Дискретизируя производную по продольной координате и применяя стандартную неявную двухслойную схему для параболического дифференциального уравнения (схема Кранка-Николсона), исходную задачу сводили к решению на каждом шаге распространения системы линейных уравнений:
.
Матрицы [A] и [B] определяются следующим образом:
.
На каждом шаге распространения эффективный показатель преломления волнового пакета корректировался по формуле:
,
где знак * обозначает операцию комплексного сопряжения и транспонирования элементов вектора.
В результате теоретических расчетов получена картина распространения оптической направленной волны в ЦАП со стороны входов (фиг.3). Для расчетов использованы типовые параметры волноводов, полученные путем ионного обмена в стекле с последующим электростимулированным заглублением и отжигом. Данная технология позволяет формировать одномодовые волноводы с почти симметричным профилем показателя преломления, которые очень хорошо совместимы с оптическими волокнами для ввода-вывода оптических сигналов.
s
x
y
Профиль поля волноводов описывается функцией , где показатель преломления стеклянной подложки n=1,5003; максимальное приращение показателя преломления волновода Δn=0,0057; эффективные размеры профиля в горизонтальном и вертикальном направлении соответственно: D=4,3 мкм; D=4 мкм. Рабочая длина волны 1,55 мкм.
Потери на каждом разветвлении для указанных параметров волноводов, как функция длины области разветвления, при поперечном расстоянии между каналами 250 мкм показаны на фиг.4.
При практическом создании цифро-аналогового преобразователя неизбежно возникнет вопрос о нелинейности преобразования. Так как все современные технологии изготовления интегрально-оптических схем обладают некоторыми ограничениями и допусками, создание идеально одинаковых Y-разветвителей с одним и тем же коэффициентом деления оптической мощности невозможно. Поэтому важной задачей является определение допусков на коэффициент разветвления и влияние этих отклонений на параметры оптического ЦАП.
Исходя из фундаментального свойства взаимности и того факта, что в конструкции разветвителя не предполагается использование магнитооптических материалов, распространение направленной волны на каждое разветвление будет сопровождаться ее ослаблением на 3 дБ. Т.е. часть оптической мощности, которую несет антисимметричная супермода разветвителя, рассеивается в подложку схемы. Поэтому под коэффициентом деления имеется в виду коэффициент деления между направленной модой канала и всей оставшейся мощностью оптического сигнала, который преобразуется в радиационные излучательные моды в области схождения двух каналов. Как известно Y-разветвитель является не трехпортовым, а четырехпортовым устройством, где четвертый порт ассоциируется со всей рассеянной мощностью радиационными излучательными модами.
∗
Свойство взаимности позволяет для расчета параметров ЦАП оперировать с параметрами Y-разветвителей в их классическом определении, как при разделении мощности оптических сигналов на ряд независимых каналов. Определим коэффициент деления Rk как процентное отношение оптической мощности в выходном порту k к суммарной мощности на всех выходных портах: Rk=Pk/Pout, где Pout=P1+…+Pm, m - число выходных портов. Для современных волоконно-оптических и ряда интегрально-оптических разветвителей 12 характерным является отклонение от равномерного деления:
Rk=49.40/49.30%.
Введем понятие вносимых потерь ILk=101g (Pin/Pk). Вносимые потери можно представить как сумму избыточных потерь и потерь, вызванных собственно делением мощности:
ILk-EL+101g(1/Rk).
Для нашего случая:
IL=3.16/3.31 дБ.
В нашем случае важен только один канал разветвителя, и для него вносимые потери примем 3.16 дБ. Чем меньше будет отклонение от этого значения у всех используемых разветвителей, тем меньше будет нелинейность преобразования ЦАП - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от оптимальной. Избыточные потери EL характеризуют потери входной мощности в целом при передаче на все выходные порты: EL=101g (Pin/Pout).
Для первого канала ответвителя
EL=3,16-101g (1/0,494)=3,16-3,06=0,1 дБ.
Следует отметить, что не обязательно добиваться строгого разделения мощности оптического сигнала на две равные части. Достаточным условием является именно требование максимальной близости коэффициентов разветвления всех разветвителей в схеме. Можно определить конкретное численное значение допуска на коэффициент разветвления.
Для 8-разрядного ЦАП при входной мощности 10 мВт выходная мощность равна 8.91 мВт, шаг квантования равен 0.035 мВт. Отсюда можно сделать вывод, что для того чтобы нелинейность преобразования ЦАП не превышала шаг квантования, отклонение значений IL каждого разветвителя от номинальной величины не должно превышать 0.02 дБ.
Для 12-разрядного ЦАП при той же входной мощности и выходной мощности 8.9404 мВт шаг квантования равен 0.0022 мВт. Отклонение значений IL каждого разветвителя от номинальной величины не должно превышать 0.001 дБ.
С помощью таких технологий изготовления интегрально-оптических схем, как «silica on silicon» (оксид кремния на кремнии), ионного обмена в стекле и ряда других можно изготовить прецизионный ЦАП, так как технологические допуски на разброс коэффициента деления Y-разветвителей у них меньше.
Таким образом, на основе Y-разветвителей и N оптических волноводов можно создать устройство для перехода от параллельного кода, передаваемого по набору световодных жил к аналоговому сигналу, который будучи преобразован в электрическую форму может быть сопряжен со стандартными электрическими кабельными линиями.
Источники информации
3
1. Maruyama, H., TE-TM mode splitter using directional coupling between heterogeneous waveguides in LiNbO/[Текст] H. Maruyama, M. Haruna, H. Nishinara // Journal of Lightwave Technology/ - 1995 - V.13 - №7, pp.1550-1554.
3
2. Wei P.K., Wang W.S. A TE-TM mode splitter on LiNbO using Ti, Ni, and MgO diffusions./[Текст] Wang W.S. // IEEE Photonics Technology Letters. - 1994 - V.6 - №2, pp.245-248.
3. Векшин М.М. Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом Y-разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев [Текст] М.М. Векшин, О.А.Кулиш, Н.А.Яковенко // Автометрия. 2004 - Т.40 - №4, с.50-57.
4. Гладкий В.П. Элементы волноводной оптоэлектроники для устройств функциональной обработки цифровой информации/[Текст] В.П.Гладкий, В.А.Никитин, В.П.Прохоров, Н.А.Яковенко // Квантовая электроника. - 1995 - №10, с.1027-1033.
5. Соколов С.В. Волноводная вычислительная оптика: монография [Текст]/С.В.Соколов, С.О.Крамаров - Ростов-на-Дону: РВИРВ, 1999. - 266 с.).