Лазеры сверхкоротких световых импульсов - Херман Й.
Скачать (прямая ссылка):
8.2. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Рассмотренные ОИС для обработки информации построены на основе одномодовых планарных, канальных и поло-
.207сковых OB. В соответствии с теоремой Лиувилля такие ОИС совместимы в общем случае только с одномодовыми волоконными световодами; ОИС, требующие стыковки с волоконными световодами на выходе схемы, совместимы также с многомодовыми ВС. Предельные возможности ОИС для обработки информации обусловлены тремя наиболее важными их характеристиками: минимальными размерами волноводных элементов, быстродействием и уровнем потребляемой мощности [54].
Существуют два ограничения, препятствующие уменьшению размеров волноводных элементов ОИС. Одно из них-—минимальные размеры области локализации оптического излучения из-за конечного значения длины волны излучения. Второе связано с предельной минимальной длиной взаимодействия, необходимой для обеспечения эффективного преобразования и переключения оптических волн в ОИС. Анализ показывает, что в наиболее интересном с практической точки зрения диапазоне длин волн 0,8 ... 1,6 мкм для реальных параметров OB минимальные размеры области локализации оптического излучения (минимальный поперечный размер OB) ¦— порядка 1 мкм. Этот предел локализации оптического излучения в OB, который вряд ли будет преодолен в будущем, приводит к тому, что по отношению к электронным интегральным схемам на кремнии и приборах на эффекте Джо-зефсона минимальные поперечные размеры отдельных элементов ОИС оказываются заметно большими. Именно поэтому следует ожидать, что для разработки ОИС можно будет в значительной мере воспользоваться технологическими достижениями микроэлектроники. Кроме того, для построения высокоэффективных ИО-устройств на основе различных физических эффектов, таких, как электро-, акусто-, магнитооптические, поляризационные, нелинейные и др., необходимо обеспечить накопление этих эффектов на длинах взаимодействия, которые много больше длины волны излучения и соизмеримы с протяженностью волноводного устройства или всей ОИС. Как видно из предыдущего рассмотрения, типичные размеры ОИС варьируются примерно от единиц до десятков миллиметров.
Предельное быстродействие оптических систем, и в том числе ОИС, определяется шириной полосы оптического сигнала, однако соединения оптических компонентов с электронными схемами определенным образом ограничивают быстродействие ОИС. Основным ограничением скорости обработки оптических сигналов является задержка сигнала при его распространении в OB, а также уширение оптических импульсов. Задержка оптического сигнала т при его распространении в ОИС определяется длиной схемы Lc и групповой скоростью оптической волны, которая в первом приближении равна фазовой скорости волны в OB, поэтому r/Lc~n*/c. Для типичных параметров OB t/Lc?»10 пс/мм.
Уширение оптических импульсов играет заметную роль в волноводных элементах, обладающих дисперсией. В OB, применяемых для построения ОИС, дисперсию практически можно не учи-
.208тывать из-за малости линейных размеров ОИС. Однако в OB с периодической модуляцией параметров дисперсия может приводить к ушпрению и искажению формы оптических импульсов. Так, в волноводном резонаторе с РБЗ происходит заметное уши-рение ультракоротких оптических импульсов. При относительной ширине брэгговского резонанса ДХБД^5-10~4 наблюдалось уширение входного импульса длительностью 100 пс почти в 2 раза. Следует отметить, что быстродействие ОИС практически не ограничивается быстродействием полупроводниковых лазерных диодов — единственных лазерных излучателей, совместимых с ОИС.. Полупроводниковые лазеры могут генерировать импульсы излучения пикосекундной длительности при гигагерцевых частотах повторения.
Уровни потребляемой и рассеиваемой мощности для различных типов ОИС могут изменяться в достаточно широких пределах. Так, волноводные фильтры фактически не потребляют никакой мощности, для переключателей в коммутирующих ОИС требуется незначительная мощность, а для полупроводниковых лазеров, ОИС-спекгроанализаторов и ИО-АЦП — наибольшая. Энергия, необходимая для одного переключения или для модуляции одного бита информации, равна [20, 54].
Еп = СЩ/2/2,
где С — емкость копланарных электродов переключателя, которая практически не зависит от ширины зазора d и пропорциональна длине электродов L (см. выражения (6.10), (6.11)). При межэлектродном зазоре d и ширине W (толщине h) OB порядка 7 мкм предельный коэффициент электрооитической добротности EnL = I пДж-см, что на практике получить весьма сложно. Следует отметить, что между энергией En, необходимой на одно переключение, и длиной ИО-устройства Lc существует непосредственная связь: чем больше Lc и, следовательно, задержка т, тем меньше Е„. Нетрудно показать, что при рассматриваемых условиях предельное значение произведения ?пт=102 пДж-пс. Уровни потребляемой мощности ОИС-спектроанализаторами на ПАВ н ИО-АЦП — порядка нескольких ватт. В ОИС-спектроанализато-рах потребляемая мощность определяется в основном электрической мощностью, необходимой для возбуждения ПАВ в OB, которая зависит от частоты и ширины полосы принимаемого сигнала и акустооптической добротности материалов OB [83]. В ИО-АЦП уровень потребляемой мощности определяется необходимой мощностью входного аналогового сигнала для заданного числа разрядов преобразования [80].