Оптомеханический мультиплексор

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Оптомеханический мультиплексор, содержащий подложку, входной и выходной порты и входной и выходной порты добавочного канала, расположенные на подложке и оптически связанные с волноводным кольцевым резонатором, отличающийся тем, что в подложке выполнено углубление, к одной из стенок которого в одной плоскости с поверхностью подложки сформирован подвижный элемент в виде консоли, на внешней стороне которой через буферный слой расположен волноводный кольцевой резонатор, а с внутренней - подвижный управляющий электрод, на дне углубления сформированы неподвижный управляющий электрод и слой диэлектрика, расположенный напротив свободного конца подвижного управляющего электрода, исключающий короткое замыкание между электродами, причем все порты также расположены через буферный слой на подложке. 14703 1 2011.08.30 2. Мультиплексор по п. 1, отличающийся тем, что консоль с подвижным управляющим электродом и неподвижным управляющим электродом образуют конденсатор с воздушным зазором, величина которого равна от двух до трех значений длин волн мультиплексируемого излучения. Изобретение относится к области интегральной оптоэлектроники и может использоваться для построения высокопроизводительных сетей оптической связи, оптоэлектронных интерфейсов персональных компьютеров, интернет-технологий и т.д. Известен оптический мультиплексор 1, содержащий входной порт, связанный с входной шиной, выходной порт, соединенный с выходной шиной, порт ввода-вывода, соединенный с добавляемыми оптическими каналами ввода-вывода, спектрально-селективный фильтр, оптически связанный с входным, выходным портами и портом ввода-вывода,устройство слежения и стабилизации, которое оптически связано с спектрально-селективным оптическим фильтром и содержит индикатор длины волны и интенсивности оптического сигнала, проходящего на выход спектрально-селективного оптического фильтра. Устройство не обладает высоким быстродействием, так как переключение оптических каналов в спектрально-селективном фильтре осуществляется микромеханическим растяжением или нагреванием селективных элементов - дифракционных решеток. Наиболее близким по технической сущности является оптический мультиплексор 2,содержащий входной и выходной порты, входной и выходной порты добавочного канала,планарный волноводный интерферометр Маха-Цендера, оптически связанный с входным разветвителем, входы которого оптически связаны с входным портом и выходным портом добавочного канала и выходным разветвителем, выходы которого оптически связаны с планарным волноводным кольцевым резонатором, выходным портом и входным портом добавочного канала, при этом оба плеча планарного волноводного интерферометра МахаЦендера имеют тепловой контакт с двумя нагревательными элементами, а все элементы мультиплексора расположены на подложке. Описанный мультиплексор не обладает высоким быстродействием, так как переключение добавочного канала осуществляется изменением температуры плеч интерферометра Маха-Цендера, которое из-за своей инерционности смещает разность фаз в плечах интерферометра Маха-Цендера от рабочих значений (0 или 180), а также влияет на температуру рядом расположенного планарного волноводного кольцевого резонатора, что снижает помехозащищенность устройства. Техническая задача - увеличение быстродействия при одновременном повышении помехозащищенности и миниатюризации устройства. Поставленная техническая задача решается тем, что в оптомеханическом мультиплексоре, содержащем подложку, входной-выходной порты и входной-выходной порты добавочного канала, расположенные на подложке и оптически связанные с волноводным кольцевым резонатором, в подложке выполнено углубление, к одной из стенок которого в одной плоскости с поверхностью подложки сформирован подвижный элемент в виде консоли, на внешней стороне которой через буферный слой расположен волноводный кольцевой резонатор, а с внутренней - подвижный управляющий электрод, на дне углубления сформированы неподвижный управляющий электрод и слой диэлектрика напротив свободного конца подвижного управляющего электрода, исключающий короткое замыкание между электродами, причем все порты также расположены через буферный слой на подложке. Для эффективного решения технической задачи консоль с подвижным управляющим электродом и неподвижным управляющим электродом образуют конденсатор с воздушным зазором, величина которого равна от двух до трех длин волн мультиплексируемого излучения. Совокупность указанных признаков позволяет существенно уменьшить время переключения потока оптических данных в (из) добавочный(ого) канал(а) и тем самым повы 2 14703 1 2011.08.30 сить быстродействие устройства, а также снизить влияние помех во всех его каналах. При этом площадь, занимаемая устройством на подложке, уменьшается. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, на которых представлены соответственно расположение элементов устройства и его разрез, где 1 - волноводный кольцевой резонатор,2 - входной порт,3 - выходной порт,4 - входной порт добавочного канала,5 - выходной порт добавочного канала,6 - консоль,7 - подвижный управляющий электрод,8 - неподвижный управляющий электрод,9 - слой диэлектрика 10 - подложка,11 - стенка углубления,12 - буферный слой,13 - углубление. Оптомеханический мультиплексор содержит подложку 10 с углублением 13, в котором к одной из сторон в одной плоскости с поверхностью подложки 10 сформирована консоль 6, на внешней стороне которой через буферный слой 12 расположен волноводный кольцевой резонатор 1, оптически связанный с расположенными на подложке через буферные слои 12 входным 2, выходным 3 портами и входным 4, выходным 5 портами добавочного канала. На внутренней стороне консоли 6 расположен подвижный управляющий электрод 7, а на дне углубления 13 напротив подвижного управляющего электрода - неподвижный управляющий электрод 8 и напротив свободного конца подвижного управляющего электрода - слой диэлектрика 9, исключающий короткое замыкание между электродами 7, 8. В конкретном исполнении волноводный кольцевой резонатор 1, входной 2, выходной 3 порты, входной 4 и выходной 5 порты добавочного канала выполнены методами фотолитографии и микромеханики из карбида кремния с расстоянием между ними в местах оптического контакта 200 нм. Консоль 6 выполнена методами фотолитографии и микромеханики из кремния. Подвижный управляющий электрод 7 и неподвижный управляющий электрод 8 выполнены методами фотолитографии и микромеханики в виде пленки алюминия толщиной 0,5 мкм. Слой диэлектрика 9 - это пленка окиси кремния толщиной 0,8 мкм, которая препятствует короткому замыканию подвижного 7 и неподвижного 8 управляющих электродов. Подложка 10 - это стандартная пластина кремния, на поверхности которой сформированы все элементы устройства. Углубление 13 выполнено фотолитографическим травлением подложки 10. Буферный слой 12 - это пленки окиси кремния толщиной 0,7 мкм, предотвращающие потери энергии оптического излучения из всех волноводных элементов устройства. Работает оптомеханический мультиплексор следующим образом. В исходном состоянии, когда на подвижном управляющем электроде 7 отсутствует электрическое напряжение относительно неподвижного управляющего электрода 8, консоль 6 вместе с волноводным кольцевым резонатором 1 находятся в горизонтальном положении в одной плоскости с поверхностью подложки 10, как представлено на фиг. 2. При этом расстояние от волноводного кольцевого резонатора 1 до всех портов устройства составляет 200 нм и тем самым обеспечивает оптическую связь между ними. Поэтому входные оптические сигналы,поступающие на длинах волн 1 по входному порту 2, ответвляются в оптически связанный с ним волноводный кольцевой резонатор 1, в котором накапливаются только те длины волн , которые попадают в эквидистантный спектр волноводного кольцевого резонатора 1. Эти же резонансные длины волнточно также поступают и в выходной порт 3 14703 1 2011.08.30 добавочного канала 5, оптически связанный с волноводным кольцевым резонатором 1. Аналогично распространяются оптические сигналы, поступающие на длинах волн 1 по входному порту 4 добавочного канала, которые ответвляются в оптически связанный с ним волноводный кольцевой резонатор 1, в котором накапливаются только те длины волн, которые попадают в эквидистантный спектр волноводного кольцевого резонатора 1. Эти же резонансные длины волнточно также поступают в выходной порт 3, оптически связанный с волноводным кольцевым резонатором 1. Все оптические связи в устройстве реализуются туннельным проникновением оптических сигналов на расстояния (в нашем случае 200 нм), меньшие их длин волн (1,5 мкм). При подаче на подвижный управляющий электрод 7 электрического напряжения относительно неподвижного управляющего электрода 8 они заряжаются электрическими зарядами разного знака. Между этими электрическими зарядами действуют силы взаимного притяжения, обеспечивающие перемещение подвижного конца консоли 6 на единицы микрометров за время не более 10 мкс. Поэтому свободный конец консоли 6 вместе с волноводным кольцевым резонатором 1 перемещаются относительно подложки 10, при этом консоль 6 изгибается у стенки 11 углубления 13. Изменение пространственного положения волноводного кольцевого резонатора 1 относительно входного порта 4 добавочного канала нарушает оптическую связь между ними и входные оптические сигналы, не ответвляясь в волноводный кольцевой резонатор 1 проходят в выходной порт 5 добавочного канала из входного порта 4 добавочного канала. Диэлектрический слой 9 исключает возможность электрического короткого замыкания в процессе перемещения между подвижным 7 и неподвижным 8 управляющими электродами. В предлагаемом устройстве, при перемещении свободного конца консоли 6 внутрь углубления 13 в подложке 10 на расстояние более 3 мкм (две длины волны мультиплексируемого излучения), достигается полная оптическая развязка между переключаемыми портами каналов, обеспечивающая повышение помехозащищенности, а время коммутации оптических каналов, находящееся в микросекундной области, увеличивает быстродействие. При указанных воздушных зазорах между управляющими электродами - подвижным 7 и неподвижным 8 - электрическое напряжение управления составит 2,54 . Более того, минимизация площади, занимаемой данным устройством на подложке 10, удешевляет производство такого типа устройств, а наличие полной оптической развязки позволяет эффективно их каскадировать в многоканальные системы. Предложенное устройство, обеспечивающее полную оптическую развязку каналов передачи информации, может быть использовано при построении высокоэффективных многоканальных современных коммуникационных систем. Источники информации 1. Пат. США 5808 763. 2. Пат. США 6928209 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4