ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУР ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

INVESTIGATION OF THE OPERATION PRINCIPLES AND STRUCTURES OF OPTICAL LOGIC DEVICES

Polyutova Olga Evgenuevna

Scientific adviser: Vekshin Michail Michailovich

Аннотация. В статье рассмотрены современные решения в области интегрально-оптических логических элементов, проанализированы их достоинства и недостатки и оценены перспективы их применения.

Abstract. Modern solutions in the field of integrated-optical logic elements are considered, advantages and disadvantages are analyzed and the prospects for their application are evaluated.

Ключевые слова: логический оптический элемент, интегральная оптика, поверхностные плазмоны, электрооптический эффект, интерферометр Маха-Цендера.

Keywords: logic optical element, integrated optics, surface plasmons, electro-optic effect, Mach-Zehnder interferometer.

Уже несколько десятков лет интегральная оптика пытается заменить полупроводниковые микросхемы. Эта идея стала фундаментом большого количества исследовательских программ в нашей стране и за рубежом. В настоящей статье рассмотрим современные интегрально-оптические логические элементы, а также оценим перспективы их применения.

На рисунке 1 представлена таблица с краткой классификацией интегрально-оптических логических устройств.

Рисунок 1. Классификация интегрально-оптических логических элементов

Отличаются логические элементы между собой оптическими средами, в которые интегрированы волноводные структуры, а также тем, какие явления лежат в основе работы с преобразованием оптического сигнала. В рамках данной статьи рассмотрим интегрально-оптические линейные логические элементы с оптическими входами и интегрально-оптические логические элементы с электрическими операндами.

Многие современные разработки оптических линейных логических элементов основаны на волноводных Y-разветвителях. Y-разветвитель работает как устройство с двумя входами и одним выходом, то есть он является объединителем входных сигналов.  В основе работы линейных оптических устройств лежит, во-первых, интерференция входящих сигналов в области объединения, то есть в области схождения каналов в Y-разветвителе, и во-вторых, предполагается, что среды, образующие волноводную структуру, не обладают нелинейно-оптическими свойствами. В результате такой интерференции амплитуды входных сигналов складываются или вычитаются. Это происходит благодаря сдвигу фаз между волнами. Далее рассмотрим, какие конфигурации волноводов используются, а также какие существуют технические решения на их основе.

На рисунке 2 представлен объединитель сигналов Y-типа, с двумя входами для когерентных сигналов с дискретными уровнями, над которыми проводится операция, областью взаимодействия и выходом, откуда поступает сигнал, соответствующий по уровню мощности логическому нулю («0») или логической единице («1»). 

Рисунок 2. Волноводный объединитель Y-типа

Данное простое устройство может работать в режиме логического элемента “И” (“AND”) или элемента “ИЛИ” (“OR”), в зависимости от того, какой уровень оптической мощности на выходе схемы считать за логическую единицу. Входные сигналы должны быть синфазными. Элемент “AND” должен иметь уровень логической единицы на выходе, равным сумме входных мощностей комбинации “1+1”. А для элемента “OR” этот порог (минимальное значение) уровня логической единицы (“1”) на выходе должен быть равным уровню “1“ на входе.

На рисунке 3 представлены оптические линейные логические элементы различных типов на основе субмикронных плазмонных структур с применением Y-разветвителей и на основе принципа действия, описанного выше [1]. Такие устройства изготавливают наноразмерным травлением канавок (щелей) в золотой пленке, нанесенной на стекло. В таких волноводах щелевого типа может канализироваться оптическое излучение за счет возбуждения поверхностных плазмонов на границах щели с металлом. Непосредственно перед входами и после выхода логических элементов в волноводах сформированы дифракционные решетки для ввода и вывода излучения. Лазерный луч с длиной волны 830 нм возбуждает SPP-моды на основе поверхностных плазмонов, которые в определенных местах волноводной структуры интерферируют между собой.

Рисунок 3. Логические элементы на плазмонных волноводных структурах: a) “OR” b) “NOT” c) “XNOR”

В элементе “ИЛИ” (“OR”) используется симметричная волноводная структура. Она показана на рисунке 3(a). Как было сказано выше, определяется уровень логической единицы для выходного порта этого элемента, порог (минимальное значение) этой величины должен быть равен уровню логической единицы («1») входного сигнала.

Если лишь на один из входов подается логическая единица («1»), то есть подается комбинация (0,1) или (1,0), то на выходе также будет логическая единица («1»). Если же подается комбинация (1,1), то возникает конструктивная интерференция, и на выходе также получается логическая единица («1»). Этот же элемент будет работать в режиме логической функции “И” (‘AND’) c изменением уровня сигнала логической единицы на выходе, как было указано выше.

На рисунке 3(b) показан логический элемент инверсии “NOT” с дополнительным управляющим входом. Функционировать этот логический элемент, как элемент инверсии, должен по следующему правилу. Если на вход А подается сигнал логической единицы («1»), то на выходе должен получиться логический ноль («0»), а если на А присутствует сигнал «0», то на выходе должна быть логическая единица - «1».

Реализуется эта функция в этом интегрально-оптическом элементе следующим образом. Вход А служит для данных, а вход В для опорного сигнала, на который всегда подается излучение, когерентное и находящееся в противофазе по отношению к сигналу входа A операнда логической функции. В таком случае при отсутствии сигнала на входе А, на выходе будет присутствовать логическая единица («1»). Если же на А подается сигнал логической единицы, за счет деструктивной интерференции обеих волн выходное излучение будет близко к нулю по мощности. Сделать такой элемент можно асимметричной конфигурацией Y-разветвителя для того, чтобы обеспечить разницу оптического пути между каналами А и В такой, чтобы она соответствовала сдвигу фаз 180 градусов между направленными волнами в каналах. На длине волны оптического излучения 850 нм с применяемыми материалами для изготовления такой нанооптической схемы этот сдвиг соответствует разности длин входных волноводных сегментов разветвителя, равной 265 нм.

Подобно логическому элементу “OR” может быть создан элемент “Исключающее ИЛИ” (“XOR”). Различие между ними будет состоять в том, что формируется волноводная структура Y-объединителя сигналов, с оптической разностью хода волн во входных волноводах, соответствующая сдвигу фаз 180 градусов между волнами. То есть один волновод должен быть немного длиннее другого. В этом   случае подача двух сигналов с уровнем логической единицы приведет к деструктивной интерференции и, соответственно, на выходе схемы будет сигнал с уровнем логического нуля. Уровень логической единицы в этом элементе определяется так же, как для логического элемента “OR”. Соответственно, остальные комбинации сигналов на входе (“1+0”, “0+1”, “0+0”) будут такие же, как и для элемента “OR”.

Для элемента “XNOR” (“Исключающее ИЛИ с инверсией”)  к предыдущей схеме элемента “XOR” добавляется еще один вход, инвертирующий результат операции “XOR”, как в схеме логического элемента инверсии. Схема этого логического элемента показана на рисунке 3(с). Организация полностью деструктивной интерференции для мод SPP достигается при разнице в длине оптического пути между волноводами B и C 795 нм, а между волноводами A и C - 265 нм на длине волны 850 нм [1].

В логических волноводных устройствах с электрическими операндами, как и в линейных логических элементах, тоже используется явление интерференции оптических направленных волн в волноводных структурах, однако совершенно иначе, чем было описано выше [2]. Само управление производится за счет электрических сигналов и использования эффекта Поккельса (реже – эффекта Керра) в электрооптических кристаллах. Посредством применения электрооптического эффекта можно изменять показатель преломления среды путем прикладывания электрического поля к кристаллам такого типа.  В частности, широко применяется кристалл ниобата лития.

Также может применяться не электрооптическое управление, а управление за счет аналогичного термооптического эффекта. В любом из этих 2-х случаев, воздействие электрического поля или повышение температуры среды в области, где расположен волновод, приводит к изменению показателя преломления этой области, соответственно, изменению волноводных свойств, и, в конечном счете, к дополнительному изменению фазы направленной волны, распространяющейся в волноводе. Это явление и будет физической основой работы таких оптических логических элементов.

Сама волноводная схема для реализации той или иной логической функции является более сложной, чем рассмотренные выше схемы на основе Y-разветвителей. Рассмотрим логический элемент “И” на основе двух волноводных интерферометров Маха-Цендера с направленными ответвителями для разделения и объединения сигналов в каждом интерферометре (рисунок 4) [2].

Рисунок 4. Схема интегрально-оптического логического элемента “И” на основе 2-х интерферометров Маха-Цендера [2].

Как известно, волноводный интерферометр Маха-Цендера с направленными ответвителями используется в фотонике для переключения сигналов в один из 2-х выходных портов при подаче управляющего сигнала на металлические электроды интерферометра. В основе такого переключения – интерференция волн в выходном направленном ответвителе. Волны поступают на оба входа направленного ответвителя с различным сдвигом фаз между собой за счет управляющего электрического сигнала на электродах.

Принцип работы данного логического элемента состоит в следующем. Электрические операнды в данном случае – это (1) – сигнал на электроде №2 первого (по схеме) интерферометра и (2) - сигнал на электроде №2 второго интерферометра. Первый и третий электроды обоих интерферометров являются общим проводом для управляющих электрических сигналов, который подключен к заземлению. Непрерывное оптическое излучение подается на верхний по схеме вход первого интерферометра.

При некотором уровне сигналов на обоих управляющих входах, который соответствует полного переключению оптического излучения в противоположный выходной канал, выходное излучение будет присутствовать только в выходном порту №1 второго интерферометра. Этот уровень сигнала можно принять за логическую единицу. Таким образом, наличие электрических сигналов, соответствующих логической единице одновременно на обоих электрических входах, приводит к уровню логической единицы на оптическом выходе.

Всем остальным комбинациям сигналов на управляющих электрических входах обоих интерферометров (“0+0”, “1+0”, “0+1”) будет соответствовать нулевая мощность оптического сигнала в выходном порту №1 второго интерферометра. Оптическое излучение на выход схемы проходить не будет. Таким образом, данное устройство функционирует как логический элемент “AND”.

Если немного изменить волноводную топологию, соединив нижний по схеме выходной волновод первого интерферометра и нижний входной волновод второго интерферометра, то данное волноводное устройство будет реализовывать другие логические функции – “XOR” и “XNOR” [2]. В этом случае верхний выходной порт второго интерферометра будет выходом для функции “XOR”, а нижний – для функции “XNOR”.

Перспективы применения существуют как у интегрально-оптических линейных логических элементов, так и у электрооптических. Эффективность устройств зависит от типа логических функций, реализуемых ими, и от технологии изготовления, которая должна предусматривать возможность каскадирования для синтеза более сложных логических оптических схем и узлов цифровой обработки информации на их основе.

Технология изготовления простых волноводных схем линейных логических элементов с оптическими операндами на основе интегрально-оптических Y-разветвителей может быть произвольной, что является их преимуществом. Возможности миниатюризации таких элементов определяются возможностями самой технологии. Современные технологии интегральной оптики на основе полупроводниковых материалов, в частности технология “Silica-on-insulator” (“Кремний-на-изоляторе”) позволяет создавать логические элементы размером в 3 мкм [3].

 Однако каскадирование таких элементов для создания более сложных схем цифровой обработки данных приводит к снижению битового контраста, что существенно ограничивает возможности таких схем. Следует отметить, что в настоящее время разрабатываются способы увеличения этого контраста за счет введения третьего дополнительного входа у логического элемента, на который подается непрерывное излучение, которое тоже участвует в интерференции волн в Y-объединителе сигналов [3].

Плазмонные оптические структуры позволяют еще более уменьшить размеры логических элементов, что является большим их преимуществом. Но у плазмонных линейных структур есть ряд дополнительных недостатков, в дополнении к указанным выше к интегрально-оптических схем. Во-первых, они сложны и дороги в изготовлении. Производство самих таких схем требует очень дорогостоящего оборудования для формирования элементов наноразмерного масштаба (ширина плазмонного оптического канала щелевого типа - 100-200 нм).  Во-вторых, такие устройства трудно интегрировать с полупроводниковыми или диэлектрическими схемами интегральной фотоники (в том числе с лазерами и фотоприемными устройствами) ввиду особенности природы поверхностных плазмонов. В том числе и по этим причинам интегрально-оптические схемы на основе поверхностных плазмонов до сих пор не применяются в промышленности (за исключением биосенсорных устройств).

Электрооптические волноводные логические схемы также обладают достоинствами и недостатками. К большим достоинствам таких схем следует отнести хорошо отработанные технологию их изготовления на основе волноводов в электрооптических кристаллах. Существуют промышленные коммутаторы оптических сигналов, в которые применяются именно рассмотренные выше интерферометры Маха-Цендера на основе направленных ответвителей. Такие коммутаторы используются в современных системах волоконно-оптической оптической связи (ВОЛС). Также на основе таких элементов можно создавать устройства, полезные для современных ВОЛС, например оптический декодер кода Хемминга [4]. К недостаткам таких устройств следует отнести ограниченную скорость их работы по сравнению с полностью оптическими устройствами.

Таким образом, в результате данной работы были рассмотрены 2 типа интегрально-оптических логических элементов, линейные оптические элементы с оптическими операндами, и электрооптические логические элементы. Подробно исследованы принципы их работы, проанализированы достоинства и недостатки и оценены перспективы использования.