Волоконно-оптические технологии обеспечат эффективные внутренние и внешние соединения при разработке компьютеров следующего поколения.

Волоконно-оптические технологии обеспечат эффективные внутренние и внешние соединения при разработке компьютеров следующего поколения.

Еще в 2006 году исследователи корпорации Intel представили уникальное устройство - первый в мире гибридный кремниевый лазер, работающий на базе обычного электрического напряжения, для изготовления которого использовались стандартные производственные процессы. Это делает возможным создание недорогих устройств на основе кремниевой фотоники, обладающих высокой пропускной способностью. Такие компоненты обеспечат эффективные внутренние и внешние соединения при разработке компьютеров следующего поколения. Ученым удалось объединить светоизлучающие способности фосфида индия со свойством кремния проводить свет и создать единый гибридный кристалл. При приложении напряжения свет генерируется элементами из фосфида индия и передается по кремниевому световоду, образуя непрерывный лазерный луч. Эта технология позволяет значительно снизить себестоимость за счет использования стандартных производственных процессов, применяемых в современной полупроводниковой индустрии. Появилась возможность создавать недорогие оптические шины с терабитовой пропускной способностью. Всего на одной кремниевой микросхеме можно будет разместить десятки, и даже сотни, гибридных кремниевых лазеров, а также других компонентов на базе кремниевой фотоники, что будет способствовать крупномасштабному проникновению оптических технологий в кремниевые платформы. Наступает эра микросхем на базе кремниевой фотоники с высокой степенью интеграции. В настоящее время исследования направлены на создание оптоэлектронных устройств с пропускной способностью на уровне 160 Гбит/с.

Главным новшеством в предложенной конструкции гибридного кремниевого лазера является применение материала на основе фосфида индия для излучения и усиления света, кремниевого световода, для передачи света, а также управления лазером. При изготовлении таких устройств используется низкотемпературная кислородная плазма для создания тонкой пленки окиси (толщиной около 25 атомов) на поверхностях обоих материалов. Если их нагреть и прижать друг к другу, слой окиси выполняет функции "прозрачного клея", обеспечивая сплавление этих материалов в единую систему. В момент приложения напряжения свет, излучаемый материалом на основе фосфида индия, проходит через слой окиси и попадает в кремниевый световод. Конструкция последнего имеет весьма существенное значение для обеспечения прозрачности для длины волны такого лазера. Гибридный лазер преодолел последний барьер на пути массового внедрения оптоэлектронных устройств на базе кремния. Гибридный лазер интегрирован с подложкой чипа и стал массовым устройством еще в 2011 году.

Над решением подобных проблем активно работают исследователи ведущих производителей чипов, и одной из первых компаний, о получении реального результата сообщила японская корпорация NEC, которая разработала новую технологию оптического межсоединения. Компания разработала базовую технологию, обеспечивающую возможность оптического соединения элементов LSI-чипа. Технология предполагает использование микрофотодиода, изготовленного на кремниевой подложке, миниатюрной усилительной схемы, оптического модулятора, волноводов и других элементов. Основной составной частью схемы является именно микрофотодиод, который обеспечивает чрезвычайно высокую реакцию на импульсы на частоте свыше 50 ГГц, и работает при напряжении смещения от 0 до +1 В. Усилительная схема имеет размеры всего несколько квадратных микрометров, что в тысячи раз меньше, нежели усилители напряжения, которых они призваны заменить. 

Введение новой технологии оптического соединения элементов чипа в коммерческое использование началось с 2015 года. Подобное решение позволило разработчикам создавать более производительные чипы, увеличивая количество вычислительных ядер. Совсем недавно разработчиками компонентов оптических систем был предложен для использования в перспективных моделях компьютеров новый способ организации оптической передачи данных между чипами. В чипы встраивается миниатюрный инфракрасный лазер, работающий на основе коллоидных квантовых точек, наночастицы генерируют инфракрасный световой сигнал, который передает информацию по оптоволоконному каналу. Процесс создания такого лазера занимает всего несколько минут: частицы полупроводника, нанометрового размера, взвешенные в растворителе, наносят тонким слоем на кремниевую подложку как краску, специальная миниатюрная стеклянная палочка окунается в раствор и высушивается горячим воздухом. Если на трубочку подать напряжение, то лазер начинает излучать. Оптическая передача данных основана на лучах лазера с длинной волны 1,5 микрона. Специально для генерации такого излучения подобран размер наночастиц. Применяя инфракрасную передачу данных внутри компьютера можно увеличить скорость работы системы, не увеличивая число транзисторов на микропроцессоре. Так как от оптических линий связи нет помех, то можно организовать многоканальную связь для подключения большое число компонентов компьютера.

В современных системах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), в измерительной и компьютерной технике уже нашли широкое применение различные дискретные активные и пассивные оптические элементы (ответвители и разветвители, переключатели, оптические изоляторы, циркуляторы, поляризаторы и мультиплексоры/демультиплексоры и др.).

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами. Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать на прием сигнала или на передачу, либо осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле. 

Разветвитель является многопортовым устройством. Портом называется входная или выходная точка для света. На рис. 1 представлена схема четырехпортового разветвителя. Стрелками показаны направления возможных потоков света внутри разветвителя. Изображенный разветвитель является пассивным и двунаправленным. Порты 1 и 4 могут служить в качестве входных, а порты 2 и 3 - выходных.



Рис. 1. Четырехпортовый двунаправленный Разветвитель

Основные категории оптических разветвителей следующие: древовидный разветвитель, звездообразный разветвитель и ответвитель. Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию - объединение нескольких сигналов в один выходной (рис. 3, а). Большинство древовидных разветвителей - полностью двунаправленные. Поэтому разветвитель может выполнять и функцию объединения сигналов.

Т-разветвитель является трехпортовым устройством. На рис. 2 представлена типичная схема локальной сети с общей шиной. Разветвитель устанавливается на каждом узле и служит для отвода части энергии от шины.



Рис. 2. Локальная сеть с Т-разветвителями.

Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал, приходящий на один из входных полюсов, в равной степени распределяется между выходными полюсами. Разветвители типа звезда являются альтернативой Т-разветвителям и избавлены от многих недостатков. Принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса - цифрами (рис. 3, б). Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. В сети, состоящей из N терминалов, разветвитель данного типа имеет 2N портов. В универсальных разветвителях типа звезда каждый из портов может работать как на прием, так и на передачу: свет, попавший на любой из портов, может выйти через другой порт.

Ответвитель - это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсам (рис. 3, в). Имеются следующие конфигурации ответвителей: 1х2, 1х3, 1х4, 1х5, 1х6, 1х8, 1х16, 1х32. Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая часть ее остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности.



Рис. 3. Типы разветвителей: а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель;
в) ответвитель.

Оптические переключатели осуществляют механическую, без оптоэлектронного преобразования, коммутацию одного или нескольких оптических сигналов, переходящих из одних волокон в другие. При этом управление процессом переключения может быть осуществлено при помощи электрического потенциала. Реализации отличаются функциональными возможностями. Различают несколько типов оптических переключателей:

- переключатель 1xN - имеет один входной полюс, сигнал из которого перенаправляется в один из N выходных (рис. 4, а);
- дуплексный переключатель 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 2 (рис. 4, б);
- блокирующий переключатель 2xN - имеет два входных полюса, но только один сигнал из двух входных можно передать в выходной полюс - оставшийся сигнал не выходит наружу (рис. 4, в);
- неблокирующий переключатель 2xN имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 1 (рис. 4, г).
Количество выходных полюсов в зависимости от модели может быть от двух до нескольких десятков. 



Рис. 4. Типы оптических переключателей

Оптические изоляторы - это еще один компонент систем на базе ВОЛС. Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В результате такого отражения часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, способен индуцировано усиливаться, приводя к возникновению паразитного сигнала. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства, оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного потока основан на использовании оптических изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направлении с большим затуханием. Оптические изоляторы сегодня являются ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей, а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии связи. Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль.

Оптические циркуляторы, еще одно волоконно-оптическое устройство, могут иметь один вход и два выхода, или два входа и два выхода. Оптические циркуляторы могут быть 3-х или 4-х портовыми. Распределение излучения между этими портами определяется направлением распространения. На рис. 5 (а и б) представлены схемы соответственно 3-х и 4-х портовых циркуляторов. Циркулятор, показанный на рис. 5а (Y - циркулятор), обладает следующими свойствами: излучение, входящее в порт 1, проходит к порту 2 однако, излучение, введенное в порт 2, не возвращается в порт 1, а проходит в порт 3, излучение, введенное в порт 3, не проходит в порт 2. Циркулятор, выполненный по схеме рис. 5б, обладает следующими свойствами: излучение, введенное в порт 1, проходит к порту 2; излучение, введенное в порт 2, выходит из порта 3; излучение, введенное в порт 3, проходит в порт 4, а введенное в порт 4 - выходит из порта 1. Собственно говоря, этот тип циркулятора представляет собой два циркулятора Y-типа, соединенные параллельно. Принцип работы оптического циркулятора аналогичен принципу работы изолятора. Отличие состоит в том, что кроме элементов, имеющихся в изоляторе, в циркулятор введена трехгранная призма, которая пропускает излучение в одном направлении по прямой, и в противоположном - отклоняет его на 90°. 



Рис. 5. Схемы оптических циркуляторов

Оптические мультиплексоры/демультиплексоры. Системы с многоволновым уплотнением - WDM, DWDM и CWDM были бы невозможны без устройств объединения пространственно разделенных оптических информационных потоков в один поток с общим направлением (на передаче) и устройств, выполняющих обратную операцию (на приеме).

Эта задача решается с помощью мультиплексоров/демультиплексоров. Кроме систем ВОЛС с DWDM, мультиплексоры применяются в волоконно-оптических усилителях, в локальных сетях при волновой маршрутизации и в некоторых других случаях. По характеру решаемой задачи мультиплексоры можно разделить на два типа: мультиплексоры, объединяющие небольшое количество спектральных каналов (не более 4-х) при расстоянии между каналами по длине волны не менее 20 нм; мультиплексоры, объединяющие количество спектральных каналов более 4-х - 8, 16, 32 и более при расстоянии между спектральными каналами 0,4...1,6 нм. Первый тип мультиплексора основан на использовании интерференционных фильтров - пластин с многослойным покрытием. 

На рис. 6 представлена схема работы такого мультиплексора. Оптический поток с длиной волны 1 падает на многослойную пластину, наклоненную под углом к падающему лучу. Угол наклона и толщина слоев выбрана такими, чтобы для волны 1 пластина была прозрачной. В результате луч с учетом небольших потерь проходит через пластину. Для других длин волн пластина непрозрачна. Поэтому при падении на пластину луча с 2 в точке выхода первого луча, он отразится от пластины и при правильно выбранном угле падения будет распространяться в том же направлении, что и луч с 1. 

В реальных мультиплексорах этого типа в качестве многослойной пластины используется торец оптоволокна, скошенный под углом 30...450 с нанесенными на него слоями покрытия. Мультиплексоры этого типа широко применяются в волоконно-оптических усилителях и в малоканальных системах ВОЛС с CWDM. В высокоскоростных системах ВОЛС с DWDM применяются оптические мультиплексоры, основанные на использовании дифракционных фазовых решеток. 



Рис. 6. Принципиальная схема двухканального мультиплексора


Устройство мультиплексора показано на рис. 7, где видно, что каждый поток должен падать на все торцы волноводов. Для этого применяются специальные оптические элементы, коллимирующие или фокусирующие оптический поток. Оптический поток, представляющий собой сумму отдельных потоков поступает на коллимирующий элемент (первая пластина), в которой происходит распределение энергии на все торцы волноводов, образующих волновую матрицу (эшелон Майкельсона). С его выхода поток подается на вторую пластину, распределяющую отдельные потоки на торцы соответствующих волокон. Все перечисленные элементы расположены на кварцевой подложке. Как видно из рис. 7, в таком мультиплексоре потери энергии происходят при вводе или выводе излучения в волноводную пластину (1-ю и 2-ю) в месте стыка этих пластин с волновой матрицей, в изгибах волноводов, составляющих эту матрицу. Это устройство обладает свойством обратимости, или взаимности, т.е. одно и то же устройство может выполнять функцию объединения пространственно разделенных потоков в один поток (мультиплексор) или наоборот - функцию пространственного разделения единого оптического потока на отдельные потоки с соответствующими длинами волн.



Рис. 7. Принцип построения и устройство волоконно-оптического мультиплексора

Волоконно-оптические мультиплексоры для систем WDM производит ряд зарубежных фирм. Следует отметить, что в системах WDM каждый спектральный канал занимает весьма малую полую полосу частот или длин волн (менее 50 ГГц или 0,4 нм). Поэтому очень высокие требования предъявляются не только к стабильности частоты излучения, но и к стабильности частотных характеристик селективных оптических элементов, в особенности мультиплексоров/демультиплексоров (величина температурной зависимости ухода настройки частоты - 0,011 нм/град). При такой величине ухода, если температура мультиплексора изменится на 20...40°С, его частота настройки уйдет на 0,2-0,4 нм, т.е. на целый межканальный интервал, что приведен к срыву работы системы WDM. Для устранения этого недостатка оптические мультиплексоры содержат элементы стабилизации температуры. По способу стабилизации температуры мультиплексоры бывают "горячего" и "холодного" типов. "Горячие" мультиплексоры содержат нагреватель и датчик температуры (терморезистор). В таком мультиплексоре температура поддерживается постоянной с точностью ±1°С на уровне +100°С. Для поддержания такой температуры требуется электропитание с напряжением постоянного тока 5 В и мощностью потребления 3 Вт. В "холодном" мультиплексоре температура на уровне 25°С поддерживается с помощью микрохолодильника (элемент Пельтье). Для этого требуется питание с напряжением постоянного тока +5 В при мощности 5 Вт. Для автоматической стабилизации температуры разработаны соответствующие электронные схемы и устройства. Мультиплексоры функционально - пассивные элементы, но для нормальной работы требует электрического питания.

Возможности волоконной оптики в компьютерных технологиях только начинают реализовываться. Уже сейчас волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле и микроволновой технологии, возможности которых имеют меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконно-оптическая технология. Именно волоконная оптика обещает стать важной неотъемлемой частью информационной революции, и частью всемирной кабельной сети.