Елементи інтегральної оптики при поглибленому вивченні фізики в середній школі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАГІСТЕРСЬКА РОБОТА

Елементи інтегральної оптики при поглибленому вивченні фізики в середній школі

ВСТУП

Оптика -- розділ фізики, в межах якого вивчається природа оптичного випромінювання (світла), досліджуються процеси випромінювання світла, його поширення в різноманітних середовищах і взаємодії з речовиною.

Оптика вивчає широку область спектра електромагнітних хвиль, що примикають до діапазону видимого світла: ультрафіолетову область (включно з м'яким рентгенівським випромінюванням) та інфрачервону (до міліметрових радіохвиль); експериментальне та теоретичне вивчення випромінювання світла, його поширення в середовищах різної природи, поглинання в середовищі, а також заломлення та відбивання на границі поділу, взаємодії кількох світлових потоків, утворення когерентних джерел світла, оптичного запису інформації.

Відмінність оптики від інших розділів фізики, що пов'язані з електромагнітним випромінюванням, полягає не лише в довжинах досліджуваних хвиль, але й у сукупності специфічних, розвинутих історично і широко використовуваних методів і понять.

Оптика поділяється на геометричну оптику, фізичну оптику, нелінійну оптику, інтегральну оптику тощо.

Геометрична оптика -- розділ оптики, в якому вивчаються закони поширення світлових променів.

Геометрична оптика розглядає світло, абстрагуючись від його хвильової природи, тобто у тому випадку, коли довжина хвилі мала в порівнянні з тими тілами, що впливають на хід променів. В геометричній оптиці не розглядаються такі притаманні світлу явища, як дифракція й інтерференція.

Особливий розділ геометричної оптики складає параксіальна оптика, в якій розглядаються світлові промені, які проходять близько до осі циліндрично-симетричної системи, наприклад, лінзи.

Геометрична оптика є науковою основою для побудови різноманітних оптичних приладів: окулярів, об'єктивів, мікроскопів, телескопів. Важливим оптичним прикладом є кришталик людського ока.

Фізична оптика (відома також як хвильова оптика) - розділ оптики, у якому вивчаються явища інтерференції, дифракції, поляризації світла та інші процеси, в яких наближення геометричної оптики не справджується. Базується на принципі Гюйгенса, згідно з яким кожна точна хвильового фронту є джерелом хвиль, що розповсюджуються у всіх напрямках. Ішим важливим принципом є принцип суперпозиції, який визначає що в лінійних системах значення амплітуди хвилі в певній точці простору дорівнює сумі амплітуд хвиль, які проходять через цю точку.

Нелінійна оптика -- це розділ оптики, який включає коло явищ, що виникають при взаємодії інтенсивного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону спектру з середовищем.

При взаємодії інтенсивного оптичного випромінювання з середовищем втрачається лінійна залежність поляризації середовища з напруженістю електричного поля електромагнітної хвилі, що приводить до появи нелінійних оптичних ефектів.

Нелінійна оптика, як наукова галузь сформувалась після виникнення лазерів -- джерел інтенсивного, когерентного, монохроматичного оптичного випромінювання.

Інтегральна оптика - це розділ оптики, в якому розглядається передача оптичних хвиль через планарні оптичні хвилеводи.

У більш широкому розумінні, інтегральна оптика -- це розділ сучасної оптики, який займається дослідженням процесів розповсюдження оптичних хвиль в планарних тонкоплівкових діелектричних хвилеводах, проблемами вводу (виводу) випромінювання у такі хвилеводи, а також питаннями генерації і детектування світлових пучків в таких хвилеводах та керування ними з метою створення нових інтегрально-оптичних схем, які аналогічні за своїм функціональним призначенням існуючим інтегральним електронним схемам на напівпровідниках.

Одна з характерних рис науково-технічного прогресу кінця XX століття було збільшення потреби в обробці, передачі і зберіганні відеоінформації. Широкополосність і двомірність електромагнітних коливань оптичного діапазону, доступність візуальному сприйняттю, електрична нейтральність фотонів найкращим чином відповідають обробці і передачі великих масивів інформації, зокрема представлених в картинах і зразках.

Приклади таких систем -- волоконно-оптичні лінії (ВОЛЗ) і системи (ВОСЗ) зв'язку. Відмінна їх особливість -- гранично велика щільність інформації в каналі і гранично високі швидкості її передачі. Для введення, обробки, ретрансляції інформації у ВОСЗ потрібні пристрої -- аналоги функціональних пристроїв надвисокої частоти (СВЧ), але що працюють в оптичному діапазоні з об'ємами інформації і швидкостями її обробки, типовими для ВОЛЗ. Такий же рівень техніки потрібний для обробки сигналів радіопроменевих систем, систем розпізнавання і відновлення образів і читаючих автоматів. У всіх цих випадках характерна робота пристроїв і систем в реальному часі в оптичному діапазоні, частота електромагнітних коливань яких в 1000--10 000 разів перевищує частоту коливань надвисокочастотного випромінювання. Це відповідає довжинам хвиль від одиниць до десятих доль мікрометра. Такі ж і розміри поперечних перерізів оптичних хвилеводів -- каналів передачі інформації. Оскільки хвилевід повинен бути прозорим, то він виявляється є просто невидимим.

Інтегральна оптика і означає розробку методів і засобів створення таких функціональних пристроїв, в основі яких лежить діелектричний мікрохвилевід, інтегрований з підкладкою. Інтегральна оптика повинна надавати можливість поєднання її схем з мікроелектронікою -- основною елементною базою обчислювальної і вимірювальної техніки, аналітичного
приладобудування, автоматики, системою збору і передачі даних.

Для перетворення електричних сигналів в оптичні і оптичних в електричні в інтегральній оптиці служать джерела випромінювання і фотоприймачі, створюючи разом з мікрохвилеводом її елементну базу. Їх комбінації і дають можливість отримувати інтегрально-оптичні схеми різної функціональної складності і призначення.

Людство давно володіє технікою лінзової оптики. Оптичні і оптоелектронні прилади, пристрої і системи поширені так же широко, як і електронні. З появою інтегральної оптики стало можливим створення пленарних (плоских) хвилеводних лінз, які у поєднанні з мікрохвилеводами вирішують проблему мікромініатюризації ряду оптичних і оптико-електронних пристроїв. Інтегральна оптика має в своєму розпорядженні різні елементи введення і виведення оптичної інформації в інтегрально-оптичні схеми, які на декілька порядків компактніші за об'ємні системи.

У таких інтегрально-оптичних схемах обробка інформації відбувається цілком на оптичному рівні. Це не виключає використання електроніки для управління процесом обробки інформації, що обумовлює використання в інтегральній оптиці широкого класу електрооптичних матеріалів. Електрооптика вводить в інтегральну оптику нелінійні ефекти, на яких реалізують хвилеводні модулятори, перемикачі, інтерферометри, фільтри і ін.

Таким чином, суть інтегральної оптики -- в розвитку хвилеводних методів з метою створення нових або удосконалення вже існуючих оптичних пристроїв з великою функціональністю і високим рівнем мікромініатюризації. Найбільш характерна властивість інтегральної оптики виявляються на когерентному випромінюванні. З появою напівпровідникових інжекційних лазерів, що вбудовуються в мікрохвилевід, завдання генерації когерентного випромінювання в інтегральній оптиці було вирішене. Можна чекати, що в найближчі десятиліття інтегрально-оптичні схеми стануть такі ж технологічно потрібні, якими сьогодні є інтегральні мікросхеми. Це і означатиме освоєння цивілізацією оптичного діапазону як великого якісно нового етапу науково-технічного прогресу, зв'язаного створенням і вдосконаленням методів і засобів обробки знань. Цей процес практично вже почався -- з інтенсивного розвитку і широкомасштабного впровадження волоконно-оптичних систем зв'язку.

РОЗДІЛ 1. ПОНЯТТЯ ПРО ХВИЛЕВОДИ І ЇХ БУДОВА

1.1 Основні характеристики хвилеводів

Основна направляюча структура, призначена для передачі електромагнітного випромінювання в інтегральній оптиці - тонкоплівковий хвилевід. Такі хвилеводи служать конструктивною основою будь-якого інтегрально-оптичного приладу. Планарні і тривимірні (канальні і полоскові) хвилеводи різної геометрії є аналоги контактної металізації електронних схем і виконують функції інформаційних магістралей, по яких оптичний сигнал прямує в ту або іншу область простору або частину схеми.

Тривимірні хвилеводи на відміну від планарних забезпечують додаткове обмеження випромінювання в поперечному напрямі. Таке обмеження дає можливість значно підвищити ступінь локалізації хвилеводного каналу, що призводить до зниження керуючої напруги хвилеводних модуляторів і перемикачів, робочих потужностей інжекційних лазерів, що входять в структуру інтегрально-оптичних схем. Застосування тривимірних хвилеводних структур забезпечує велику компактність і універсальність інтегрально-оптичних приладів за рахунок вищого ступеня ізоляції каналів один від одного. Застосування тривимірних хвилеводів розширює функціональні можливості інтегрально-оптичних схем як за рахунок ускладнення їх схемотехнічних конфігурацій, так і за рахунок більшої функціональної різноманітності самих хвилеводних елементів, що виконуються на їх основі (модулятори і перемикачі, випромінювальні структури, багатоканальні розгалужувачі і ін.).

Основу оптичних хвилеводів в інтегральній оптиці складають тонкі діелектричні шари з низькими втратами на робочих довжинах хвиль випромінювання. Формат (відношення сторін перетину) таких плівок одного порядку з довжиною хвилі, що обумовлює високі вимоги до технології їх виготовлення і по дозволу, і по точності їх виробництва.

У діапазоні робочих довжин хвиль інтегральної оптики товщина діелектричних мікрохвилеводів опиняється в межах від 0,3•10-6 до 3•10-6 м. Для якісних хвилеводів необхідно, щоб середньоквадратичне відхилення від лінійних розмірів не перевищувало 5•10-5 м. Технологія повинна забезпечити і низькі оптичні втрати в інтегрально-оптичних хвилеводах, які не повинні перевищувати одиниць і десятих доль децибела на сантиметр. Такий хвилевід на робочій довжині хвилі практично прозорий. При таких малих розмірах його перетину він практично виявляється невидимим. І саме тому йому потрібна підкладка, з якою він технологічно інтегрував.

Розроблені основи теорії і технології тонкоплівкових хвилеводів, які дають можливість розраховувати і виготовляти хвилеводні структури з заданими властивостями.

Матеріалів, придатних для створення на їх основі хвилеводних структур, дуже багато. Це стекла, зокрема халькогеїдні, вживані для середнього і довгохвильового інфрачервоних діапазонів, полімери, ферити, активні діелектрики (електрооптичні кристали і кераміка) і напівпровідники.

1.2 Поширення світла по хвилеводі

Найпростіший планарний діелектричний хвилевід є плівкою прозорого на даній довжині хвилі діелектрика, нанесену на підкладку із матеріалу з нижчим показником заломлення. Третім шаром хвилеводу (покривний) може служити повітря або будь-яке інше середовище. Щоб утримати електромагнітну хвилю, показник заломлення хвилеводного шару повинен задовольняти нерівність

n2>n3 і n1

де n3, n1 -- показники заломлення відповідно матеріалів підкладки і покривного шару.

Якщо показники заломлення підкладки і покривного шару рівні, такий хвилевід називається симетричним, в іншому випадку -- асиметричним.

По ступені локалізації випромінювання хвилеводи діляться на планарні і тривимірні. У планарних область розповсюдження світла обмежена тільки в одному, вертикальному напрямі -- хвилеводний шар покриває всю поверхню підкладки і горизонтальний розмір у багато разів більше вертикального.

Як будь-яка напрямлена структура, інтегрально-оптичний хвилевід в першу чергу характеризується набором електромагнітних коливань, які можуть розповсюджуватися в ньому. Вся різноманітність таких коливань називається спектром мод.

Основні властивості діелектричного хвилеводу і їх математичний вираз досить просто визначити за допомогою моделі плоскої пластини, що представляє планарний хвилевід, напівнескінченної у напрямі х або у. Таке наближення цілком виправдано: ширина планарного хвилеводу у багато разів більше його товщини. Тривимірні хвилеводи, розмір яких обмежений в обох напрямках, наближено задовольняють моделі планарного хвилеводу, якщо один з розмірів значно більший від іншого. Якщо ця умова не виконується, при переході від планарного до тривимірного хвилеводу при збереженні якісної відповідності появляється деяка розбіжність в кількісних оцінках.

Мал. 1. Пластинка діелектричного хвилеводу:

1-покривний шар, 2 - хвилевод, 3 - підкладка

Розглянемо в наближенні плоскої пластини хвилевод, показаний на мал. 1.

Також вважатимемо, що виконуються нерівності n2>n3>n1, відповідні поширеному випадку хвилеводної плівки, внесеної на підкладку з меншим показником заломлення і з покривним шаром з повітря.

Найбільш перспективні для інтегральної оптики полоскові і занурені канальні хвилеводи. Основні їх досягнення пов'язані з широкими технологічними і конструктивними можливостями створення ефективних хвилеводних структур на їх основі. До позитивних характеристик полосковых структур слід віднести вже згадувану слабку чутливість до порушення кордонів діелектричної смужки і збільшення допуску на її формат в одномодовому режимі. У інтегрально-оптичних схемах її ширина може досягати десяти і більше мікрометрів, що в значній мірі спрощує операцію стиковки хвилеводів.

Але порівнянню з хвилеводами пленарної геометрії розрахунок і аналіз основних характеристик канальних і полоскових структур значно складніший. Це обумовлено необхідністю вирішення електродинамічної задачі з складними граничними умовами і великим числом параметрів, коли всі характеристики, зокрема і дисперсійні, залежать не тільки від форми і відносних розмірів хвилеводу, але і від електродинамічних параметрів матеріалів, які створюють хвилевід.

1.3 Елементи які служать для побудови хвилеводів

В залежності від призначення хвилеводні структури в інтегральній оптиці виконуються або на пасивних, або на активних підкладках. У останньому випадку хвилевод стає керованим, дає можливість здійснювати на основі хвилеводних компонент модулятори, перемикачі, відгалужувачі і інші елементи інтегральної-оптики.

Для виконання пасивних хвилеводних функцій використовуються, як правило, хвилеводи на скляних підкладках. Це обумовлено, зокрема, відносною простотою виготовлення оптичних елементів в таких хвилеводах і стиковках їх з оптичними волокнами, а також доступністю і низькою вартістю початкового матеріалу.

Одним з поширених методів отримання хвилеводних структур в склі служить іонний обмін. При зануренні скляної підкладки в розплав солей відбувається заміна іонів скла іонами з розплаву. Що досягається в результаті такого обміну іонами зміна показника заломлення приповерхневого шару скла визначається двома чинниками. Перший з них -- відносні розміри іонів, що беруть участь в обміні. Якщо малий іон, наприклад літію, замінює більший за розміром іон натрію або калію, то в цьому місці внутрішня структура підкладки як би стискається навколо «чужорідного» іона, утворюючи щільнішу упаковку, як правило, з великим показником заломлення, Інакше -- коли більший іон вбудовується на місце меншого-- показник заломлення зменшується. Другий чинник стосується електронної поляризації іонів. Якщо іон з більшою поляризацією, наприклад талія, цезію, замінює іон з меншою поляризацією, наприклад натрію, то показник заломлення зростає, і навпаки.

Накладаючи електричне поле на іонно-обмінні реакції, можна управляти послідовністю впровадження іонів з різною електронною поляризацією.

Змінюючи умови впровадження іонів і їх концентрацію в солі, можна варіювати величиною стрибка показника заломлення на межі розділу хвилеводний шар -- зарощуючий шар в межах від 10-4 до десятих доль одиниці. Таким методом створені градієнтні (профіль показника заломлення на межі розділу змінюється плавно) хвилеводні структури діаметром 50-60 мкм майже круглого перетину з профілем показника заломлення, близьким до параболічного, що забезпечує високу ефективність стиковки з волоконними світлопроводами. Застосовуючи масковані підкладки і проводячи дифузію через вікна маски, можна отримувати хвилеводні структури різної конфігурації.

При створенні інтегрально-оптичних хвилеводів широко застосовуються методи іонної імплантації. Як імплантанти застосовують іони водню, гелію, аргону, літію, фосфору, азоту та інші при дозах від 1013 до 1017 см-2. Енергії іонів лежать в межах від 70 кеВ до одиниць мегаелектронвольт. Іонна імплантація -- це технологія, що дозволяє упроваджувати в поверхневий шар цілком певну кількість майже будь-якого хімічного елементу бомбардуванням прискореними в електричному полі іонами домішкової речовини. Вона широко застосовується і добре відпрацьована як метод легування в мікроелектроніці. Основні елементи установки для іонної імплантації -- джерело, екстрактор, сепаратор і прискорювач іонів. Іонізуючу речовину вводять у вигляді газу в частину апарату, яка називається джерелом іонів. Магнітні і електричні поля утримують плазму і підвищують ефективність іонізації.

Вторгнення швидколетючих домішкових іонів в кристалічну решітку основного матеріалу ушкоджує її різними способами. Безлад, який робить таке вторгнення в решітках, називають радіаційним пошкодженням. У ряді випадків воно веде до сприятливої зміни електричних або механічних властивостей матеріалу. Але частіше такі пошкодження і їх наслідки небажані. Тому після імплантації потрібний відпал. Нагріваючи речовини прискорюється перегрупування атомів, стимулюючи заміщення введеними іонами власних іонів матеріалу, і видаляє наведені дефекти кристалічної решітки.

Разом з хвилеводами в скляних підкладках в інтегральній оптиці застосовують хвилеводні структури на основі різних оксидів, нітриду, що отримуються методами тонкоплівкової технології, серед яких -- осадження з молекулярного пучка у вакуумі, розпилювання в плазмі газового розряду, хімічне осадження з газової фази, термічне окислення, а також анодування в розчинах і плазмі розряду.

1.4 Введення -- виведення випромінювання в тонкоплівковий хвилевід

Проблема введення і виведення випромінювання з інтегрально-оптичного хвилеводу знайшла практичне рішення в різних елементах зв'язку спеціальної конструкції.

Найбільш широко застосовується, особливо в лабораторній практиці, коли не потрібне дотримання жорстких вимог до габаритів пристрою, елемент зв'язку, що є мініатюрною призмою, розташованою на поверхні хвилеводної плівки з більшим, ніж у хвилеводу, показником заломлення. Для того, щоб можна було працювати з інтегрально-оптичними пристроями з різних матеріалів, показник заломлення призми повинен бути достатньо великим по абсолютній величині. Найчастіше для цієї мети призми виготовляють з рутилу () або монокристала фосфіду галію (). У основі роботи призматичного елементу зв'язку лежить той факт, що при явищі повного внутрішнього віддзеркалення поле хвилі не падає за межею розділу середовищ до нуля стрибком, а експоненціально спадає про оптично менш щільному середовищі.

Мал. 2. Принцип роботи призменного елемента зв'язку

Якщо тепер таку призму розташувати безпосередньо близько від по верхні хвилеводу і направити вхідний лазерний пучок на її границю так, як показано на малюнку 2, то із-за повного внутрішнього віддзеркалення на межі призма -- повітряний зазор в призмі сформується хвіст моди стоячої хвилі. Така мода стаціонарна (нерухома) в напрямах , а уздовж осі рухома і характеризується константою розповсюдження .

При повному внутрішньому віддзеркаленні поле цієї моди за межею розділу середовищ експоненціально спадає в оптично менш щільному середовищі. Іншими словами, в повітряному зазорі з'явиться хвіст моди призми. Цей же ефект відповідає і за неповну локалізацію (наявність хвостів мод в навколишніх середовищах) хвилеводних мод. Це явище має очевидну аналогію з проходженням електронів через потенційний бар'єр, тому його іноді називають оптичним тунелюванням. Якщо величина зазору настільки мала, що хвости хвилеводних мод і моди призми перекриваються при виконанні умови синхронізму реалізується когерентне перекачування енергії моди призми в хвилеводну моду. Умова синхронізму в даному випадку виражається в рівності фазових швидкостей світлової хвилі в призмі і порушуваної моди хвилеводу.

Для виконання умови синхронізму кут падіння пучка на нижню поверхню призми повинен задовольняти умові

де індекс визначає порядок моди. Із зростанням величини зазору ступінь перекриття хвостів мод, тобто константа зв'язку, експоненціально зменшується, і ефективність введення різко падає. Якщо врахувати, що величина зазору складає долі мікрометра, то стає ясно, наскільки високі вимоги до позиціонування призми для повторюваності результатів. Це властивість призменних елементів зв'язку -- один з істотних їх недоліків.

На практиці необхідний зазор забезпечується за допомогою механічного тиску на призму. Довжина , на якій відбувається взаємодія між модами призми і хвилеводу, обмежена розміром призми. Для забезпечення 100% перекачування енергії необхідно, щоб

де -- коефіцієнт зв'язку мод, залежний від показників заломлення, призми, хвилеводу, матеріалу зазору і величини зазору.

Для досягнення ефективного зв'язку важливо не допустити перевипромінювання збудженої хвилеводної моди назад в призму. Щоб цього не трапилося, зазор поза ділянкою збудження потрібно збільшити до такого розміру, при якому призма вже практично не впливатиме на розповсюдження світла в хвилеводі. Цього можна добитися, наприклад, нахиливши по відношенню до хвилеводу нижню грань призми або зробивши останню сферичної форми. Призматичний елемент зв'язку можна використовувати не тільки для введення, але і для виведення випромінювання з хвилеводу. В цьому випадку геометрія пристрою залишається таким же, як на мал. 4, і лише напрямки розповсюдження хвилеводних мод міняються на зворотні. При виведенні випромінювання призмою з'являється можливість досліджувати склад мод хвилеводу, оскільки кожна мода виходитиме з призми під певним кутом.

Один з основних (якщо не вирішальним) недоліків призменних елементів зв'язку, що обмежують їх застосування в приладах і пристроях інтегральної оптики, - несумісність з планарною технологією і неможливість інтегрального виконання призм.

Для збереження важливої переваги призматичних елементів зв'язку -- модової селективності -- і в той же час, щоб отримати можливість інтегрального виконання елемента зв'язку і забезпечити велику технологічність, застосовують гратчасті елементи зв'язку. Такий елемент введення -- виведення випромінювання представляє гофровану структуру, нанесену на хвилевід або витравлену безпосередньо в матеріалі хвилеводу. Гофрування не тільки викликає періодичне змінення товщини хвилеводу, але і приводить до статичної просторової модуляції показника заломлення.

Випромінювання, проходячи через гофровану ділянку хвилеводу, розсіюється. Ступінь розсіювання залежить від співвідношення довжини хвилі випромінювання і параметрів гофра: його глибини , періоду і довжини . Випромінювання, для якого виконується умова

де ефективний показник заломлення хвилеводного шару -- випробовує сильне віддзеркалення від решітки. При цьому поле хвилеводної моди випромінюється також назовні і в підкладку. Ця частина світла, яка відбивається у відмінних від вибраного напрямку, носить назву пучків витоку. Чим менше частка пучків витоку в порівнянні з введеним пучком світла, тим більше ефективність гратчастого елемента зв'язку. У звичайних елементах частка пучків витоків складає не менше 70%. За рахунок того, що решітки працюють в режимі, далекому від повного внутрішнього віддзеркалення, велика частина світла проходить крізь хвилевід і втрачається в підкладці. Окрім цього, частина енергії йде в дифракційні пучки вищого порядку, оскільки світло, падаючи на решітки, створює ряд дифракційних максимумів в напрямах під кутами , які шукаються з виразу

де -- кут падіння, -- порядок дифракції.

Оскільки величина втрат пропорційна кількості порядків дифракції, прагнуть максимально скоротити їх кількість, що еквівалентно вибору мінімального періоду решітки.

Значно підвищити ефективність гратчастого елементу зв'язку можна за рахунок відповідної зміни глибини і форми гофра. Асиметричність профілю гофрування може приводити до значного придушення деяких пучків витоку і здійснювати перерозподіл енергії в пучках світла, що випромінюються одночасно в покривний шар і підкладку залежно від напряму розповсюдження світла в хвилеводі. Глибина гофра пропорційна константі зв'язку мод і величині обурення, що пов'язує дану хвилеводну моду з однією з випромінювальних мод. Із збільшенням глибини гофра ефективність гратчастого елементу зв'язку спочатку росте пропорційно квадрату його амплітуди. Але вже при глибині проникнення поля хвилеводної моди в поверхневий шар (тобто величина, рівна довжині хвоста моди) крива залежності ефективності від глибини гофра виходить на насичення і подальше збільшення не збільшує ефективність зв'язку.

Можливість виготовлення гратчастого елементу зв'язку безпосереднім гофруванням хвилеводного шару дозволяє не тільки реалізувати інтегральний варіант з'єднання, характеристики якого значно менше піддані впливу зовнішніх дій (чим у разі дискретних призматичних пристроїв), але і забезпечувати введення і виведення випромінювання з хвилеводів з високими показниками заломлення, для яких підбір матеріалу призм утруднений. Як правило, для матеріалів, використовуваних в інтегральній оптиці, період грат знаходиться в інтервалі 1--3 мкм. Це вимагає для їх виготовлення прецизійних методів нанесення і формування малюнка. Гратчасті структури виготовляються збираючим травленням або травлення іонним пучком через відповідні маски. Для отримання масок застосовують метод так званої інтерференційної літографії (або голографічний метод), в якому використовують два коллимірованні лазерні пучки для створення інтерференційної картини. Експоновану підкладку поміщають в область інтерференції, де створюється стояча хвиля. Голографічна літографія дає можливість отримувати період малюнка менше, ніж довжина хвилі «малюючого» джерела, оскільки період інтерференційної картини (а значить, і грати) рівний

де -- показник заломлення резистивної плівки. В цьому випадку, використовуючи лазер з довжиною хвилі випромінювання, наприклад, 0,5 мкм, виявляється можливим отримати період решітки близько 0,1 мкм.

Успіхи сучасної технології дозволяють сьогодні отримувати гратчасті елементи на різних матеріалах самої «екзотичної» геометрії, призначені для виконання спеціальних функцій. Так, наприклад, для ефективнішого введення випромінювання напівпровідникових лазерів в хвилевід використовують решітки із змінною глибиною гофра (в середині решітки більше, ніж на краях). Решітки із змінним періодом гофра дають можливість сфокусувати випромінювання, що виводиться, в заданій області простору за рахунок того, що різні її ділянки виводять світло в різних напрямах.

РОЗДІЛ 2. ІНТЕГРАЛЬНА ОПТИКА ДЛЯ ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ЗВ'ЯЗКУ

2.1 Терабітні системи зв'язку на основі спектрального ущільнення

Відомо, що за перших 90 років розвитку техніки зв'язку швидкість передачі інформації зросла на п'ять порядків, починаючи від перших телефонних ліній зв'язку, які мали швидкість передачі інформації порядку 1 біт/с. Приблизно на ті ж п'ять порядків зросла швидкість передачі інформації систем зв'язку за останніх 20 років, досягнувши приблизно 2 Тбіт/с ( біт/с).

Різке збільшення швидкості передачі інформації відбулося завдяки використанню нової технології спектрального мультиплексування. Застосування цієї технології не вимагає трудомісткої і дорогої заміни вже прокладеного оптичного кабелю. Навіть якщо в майбутньому вартість волокна зменшиться за рахунок використання нових технологій, волоконно-оптична інфраструктура (прокладене волокно і встановлене устаткування) завжди коштуватиме достатньо дорого.

Технологія спектрального ущільнення з розділенням по довжинах хвиль (WDM -- Wavelength Division Multiplexing) є основоположним для використання обширної смуги пропускання оптичного волокна. Застосування даної технології дозволяє одночасно на різних довжинах хвиль передавати по одному волокну самі різні інформаційні потоки (аналогові, ВЧ, СВЧ і цифрові). Одночасно з розвитком технології спектрального ущільнення вирішувалося завдання збільшення дальності передаваної інформації -- як за рахунок зниження втрат у волокні, так і шляхом використання підсилювачів-ретрансляторів. Удосконалення існуючих електронно-оптичних підсилювачів припинилося після створення квантових оптичних підсилювачів на основі активного оптичного волокна, легованого ербієм з накачуванням випромінювання напівпровідниковим лазером. Поява таких підсилювачів з брегівськими решітками дозволила зробити їх широкосмуговими і підсилювати сигнал у всьому діапазоні довжин хвиль, на яких працюють пристрої спектрального ущільнення.

У періодичній літературі пропонуються різні конструкції терабітних систем зв'язку на основі спектрального ущільнення каналів. Для локальних, корпоративних і внутрішньооб'єктових мереж цілком достатньо грубого спектрального ущільнення до 10-- 16 ущільнюваних каналів (Coarse WDM або CWDM). Проте там, де є великі інформаційні потоки, доцільно використовувати більшу кількість каналів в «вікні» мінімальних втрат оптичних волокон в діапазоні довжин хвиль від 1,45 до 1,6 мкм.

В даний час системи з частотним інтервалом між каналами 100 ГГц (0,8 нм) і менше називають системами щільного спектрального мультиплексування (DWDM -- Dense WDM). Саме такі системи використовуються для магістральної передачі інформації (для міжконтинентальних і міжрегіональних ліній зв'язку), а також в системах з великими інформаційними потоками. Доцільно використовувати для вищезазначених цілей і надщільне спектральне ущільнення (UDWDM -- Ultra Dense WDM) з кроком ділення 0,1--0,2 нм.

Зараз технологія спектрального мультиплексування застосовується в основному на лініях зв'язку великої протяжності, де потрібна велика смуга пропускання. Разом з тим широким потенційним ринком для застосування технології спектрального мультиплексування є також мережі міського і регіонального масштабу і системи кабельного телебачення. Ця технологія перспективна для прокладки оптичних кабелів в кожен будинок для створення якісних інформаційних каналів зв'язку широкого призначення (ТБ, інтернет, відеотелефон і т. д.).

Необхідність ефективно використовувати прокладений кабель привела до значного збільшення числа каналів, передаваних по одному волокну, і зменшенню спектральних інтервалів між ними. Проте при зближенні каналів, особливо в протяжних DWDM-системах зв'язку, починають виявлятися лінійні і нелінійні перехресні перешкоди між каналами, що кінець кінцем призводить до зниження співвідношення сигнал/шум і якості зв'язку.

Мал.3. Блок-схема багатоканальної системи передачі з спектральним ущільненням (WDM)

Узагальнена структура багатоканальної системи передачі інформації із спектральним ущільненням представлена на малюнку 3. Система включає наступні складові елементи (дивись позначення на малюнку): Л -- лазери, І джерела потоку даних (інформації), М -- модулятори, МОП -- могутній оптичний підсилювач (бустер), ОП -- квантовий оптичний підсилювач, Д--фотодетектори. Найбільш важливими елементами системи є мультиплексор і демультиплексор.

Кожен сигнал від джерела інформації і сигнал від відповідного лазера з довжинами хвиль , , …, поступають в модулятор, де відбувається модуляція сигналу. Далі промодульовані сигнали потрапляють в мультиплексор, де відбувається спектральне ущільнення сигналів. На виході мультиплексора ми маємо ущільнені сигнали, готові для передачі на необхідну відстань.

Як відомо, оптоволокно має відомий коефіцієнт загасання, тому через певну відстань необхідно ставити підсилювачі сигналів. Але підсилювач не відновлює форму сигналу. Тому при передачі сигналу на відстані більше 1000 кілометрів необхідно ставити регенератор для відновлення форми сигналу. На іншому кінці лінії оптичний демультиплексор здійснює розділення переданих сигналів по відповідних приймачах або канальних хвилеводах. Бажано, щоб всі елементи схеми були оборотними.

2.2 Дисперсійні елементи, призначені для систем CWDM

Об'ємні дисперсійні елементи давно використовуються в оптиці, в спектральному аналізі, і реалізовані в монохроматорах, спектроаналізаторах, спектрографах.

Є три основні типи об'ємних дисперсійних елементів, що дозволяють розділяти спектрально ущільнені канали: призма, дифракційні решітки прохідного типу, дифракційні решітки відбивного типу. Конструкція таких пристроїв представлена на малюнку 4, де вони показані як елементи в багатомодових волоконно-оптичних системах спектрального ущільнення.



Мал. 4. Схеми основних типів об'ємних демультиплексорів на основі призми (а), дифракційної решітки прохідного типу (б), на основі відбивної дифракційної решітки (в): 1,6 - оптичне волокно; 2 - коллимірующий об'єктив; 3 - об'ємна призма; 4 - фокусуюча система на виході; 5 - канальні хвилеводи; 7 - об'ємна лифракційна решітка прохідного типу; 8 - об'ємна дифракційна решітка відбивного типу

Пристрої працюють таким чином. По оптичному волокну 1 розповсюджується випромінювання на декількох довжинах хвиль. На виході волокна 1 встановлений коллимірующий об'єктив 2, пройшовши який, пучок світла стає паралельним і подається на дисперсійний елемент -- призму 3 (мал. 4, а), дифракційні решітки прохідного типу, 7 (мал. 4, б) або на відбивні дифракційні решітки 8 (мал. 4, в). На виході дисперсійного елементу (призма або решітка) ставиться вихідна фокусуюча система 4, за допомогою якої кутове розділення довжин хвиль (каналів) перетвориться в сфокусоване просторове розділення каналів по елементах лінійки фотодетекторів або по торцях набору оптичних волокон. Увігнуті відбивні дифракційні грати (мал. 4, в) не вимагають фокусуючого об'єктиву.

Основною особливістю дисперсійних елементів є розкладання змішаного спектру на складові по довжинах хвиль (частотам). Зокрема, в призмі і дифракційних гратах прохідного типу, здійснюється розділення спектральних складових по кутах (по напрямах). Фактично кутовий розподіл є двомірним перетворенням Фурьє.

Використання лінз або об'єктивів дозволяє здійснювати просторове перетворення і, одночасно, фокусування окремих довжин хвиль.

Подібні об'ємні дисперсійні пристрої виявилися ефективними для використання в системах розрідженого спектрального ущільнення (CWDM). Причому дані системи спектрального ущільнення можуть використовуватися в системах зв'язку на основі багатомодових волокон, дешевших і простіших у використанні, що особливо зручно при реалізації ідеї «волокно в кожен будинок».

Аналогом об'ємних дисперсійних елементів є їх планарная реалізація у вигляді плоских хвилеводних шарових структур. Причому для випадку використання одномодових спектральних оптичних волокон планарна реалізація є єдиним можливим засобом досягнення високого ступеня ущільнення/розущільнення каналів. На малюнку 5 представлені найбільш перспективні схеми інтегрально-оптичних дисперсійних елементів.

хвилевід інтегральної оптика звук магнітний



Мал. 5. Схеми планарних демультиплексорів на основі призми (а), дифракційної решітки прохідного типу (б), відбивної дифракційної решітки (в), ешелона Майкельсона (г), фазованої хвилеводної структури (д)

Принцип роботи планарных (інтегрально-оптичних) демультиплексорів розглянемо на прикладі малюнка 5, а. По одномодовому волокну 1 розповсюджується світло з інформаційними каналами на різних довжинах хвиль. Діаметр волокна складає 8--9 мкм, і товщина хвилеводного шару повинна бути такою ж. Введене в плоский хвилевід випромінювання розходиться. На шляху пучка, що розходиться, поміщається планарный коллимірующий елемент 2 (геодезична лінза, виконана додатковим легуванням в хвилеводі), причому відстань між торцем волокна і центром лінзи рівна її фокусній відстані. В результаті цього після лінзи пучок стає коллимірованним, а його ширина повинна бути рівній апертурі дисперсійного елементу демультиплексора. Дисперсійний елемент 3 -- призма, так само як і лінза, виконується додатковим легуванням хвилеводного шару. Пройшовши дисперсійний елемент, оптичний сигнал розділяється на N каналів, кожен з яких на виході дисперсійного елемента має свій фазовий розподіл і розповсюджується під певним кутом до вихідної апертури.

Відзначимо, що ця і інші конструкції дисперсійних елементів -- дифракційна решітка (мал. 5, б), відбивна дифракційна решітка (мал. 5, в), ешелон Майкельсона (мал. 5, г) і хвилеводна дифракційна решітка (мал. 5, д) здійснюють кутове розділення каналів і є найбільш перспективними з погляду забезпечення максимального числа каналів.

За вихідною апертурою дисперсійного елементу розташовується фокусуючий елемент 4 (геодезична лінза), який забезпечує попадання кожного з N каналів на відповідний елемент лінійки фотодетекторів або один з канальних хвилеводів 5 або 6.

Фотодетектори або канальні хвилеводи повинні знаходитися у фокальній площині лінзи. За цієї умови поперечний розмір області, зайнятої оптичним сигналом одного каналу, буде мінімальним. Ширина фотодетекторів і відстань між ними визначаються параметрами дисперсійного елементу, вихідною лінзою і допустимим рівнем перехресних перешкод в каналах.

Слід особливо підкреслити, що інтегрально-оптичні технології забезпечують не тільки істотне поліпшення характеристик вказаних пристроїв, але і дозволяють створювати структури, реалізація яких на принципах об'ємної оптики неможлива. Крім того, принципи інтегральної оптики дозволяють об'єднати на єдиній підкладці всі елементи передавального модуля (лазери, модулятори, мультиплексори, оптичні підсилювачі), тобто створювати єдину інтегрально-оптичну схему передавального, а також приймального модулів. Тому пристрої, побудовані на принципах інтегральної оптики, вважаються найбільш перспективними пристроями для високошвидкісних багатоканальних систем оптичного зв'язку із спектральним ущільненням.

Окремі елементи -- призми, лінзи, дифракційні грати і канальні хвилеводи з різною фазовою затримкою -- створюються шляхом додаткового легування або шляхом зміни геометрії канального хвилеводу.

За наслідками огляду різних схем дисперсійних елементів можна зробити наступні виводи.

Найбільш ефективною для мультиплексорів з високим ступенем ущільнення каналів опинилася хвилеводна структура, представлена на малюнку 3, д, відповідна видозміненому ешелону Майкельсона (малюнок 3, г).

На таких структурах отримані мультиплексори0 з розділенням на 16, 32, 64, 128 і більше каналів.

Отримано розділення каналів по довжинах хвиль з інтервалом 0,5 і 0,2 нм, відповідне частотному спектральному розділенню на 100 і 50 ГГц.

Розв'язка сусідніх каналів складає не менше 25 дБ.

2.3 Технологія виготовлення планарних інтегрально-оптичних дисперсійних елементів

Відправною крапкою при виготовленні канальних хвилеводів багатьох типів є підкладка, на якій утворений плоский хвилевід, реалізований за допомогою якої-небудь технології. В цьому випадку на поверхні пластини можна одночасно задати поперечні розміри ряду канальних хвилеводів, використовуючи звичайну техніку фотолітографії, подібну тій, яка використовується в технології виготовлення електричних схем.

Існує безліч різних типів планарних оптичних хвилеводів, що відрізняються способом формування хвилеводної структури: а) гребінчасті хвилеводи, що отримуються за допомогою травлення; б) гребінчасті хвилеводи з накладеною смужкою; в) канальні хвилеводи, отримані методом імплантації або дифузії; г) канальні хвилеводи, що отримуються методом іонного обміну. Наприклад, гребінчасті хвилеводи, що отримуються за допомогою травлення, із-за шорстких країв мають достатньо великі втрати. Проте саме даний тип хвилеводів дозволяє реалізувати на практиці велику матеріальну і хвилеводну дисперсію і різницю фазової затримки . Канальні хвилеводи, що отримуються методом іонного обміну, мають малі втрати (порядку 0,1 дБ/см), але забезпечують малу різницю фазової затримки (порядку 0,1), що у результаті приводить до невеликого числа спектрально вирішуваних каналів.

Особливістю створення таких структур є те, що вони створюються за технологією, близькою до мікроелектроніки, на кварцових або кремнієвих підкладках.

Звичайний метод виготовлення гребінчастих хвилеводів полягає в нанесенні фоторезиста на підкладку з вже наявним в ній плоским хвилеводним шаром, опромінюванні фоторезиста ультрафіолетовим або рентгенівським випромінюванням через контактно накладену маску (яка і визначає форму хвилеводу) і прояві фоторезиста. Після виконання всіх вище перелічених операцій на поверхні фоторезиста залишається картина необхідної структури (див. мал. 6).

Мал. 6. Фрагмент хвилеводної структури на основі гребінчастих хвилеводів

При створенні гребінчастого хвилеводу використовується полірована підкладка з кремнію з окисленим поверхневим шаром , на якому плазмохімічним методом наноситься , легований , або , або . Легований шар є хвилеводним шаром з підвищеним показником заломлення. Після цього наноситься тонкий шар .

Фоторезист використовується як маска як у випадку звичайного хімічного травлення, так і при травленні за допомогою іонного пучка. При нанесенні фоторезиста на підкладку необхідно добитися однорідності плівки, що наноситься. Залежно від технологічних завдань можна отримати плівку методом центрифугування (порядку 0,25 мкм) або методом витягування з розчину (розплаву). У останньому випадку плівка виходить з більшою товщиною (порядку 1 мкм). Чим меншою буде швидкість витягування з розчину, тим тоншою і одноріднішою вийде плівка, що наноситься.

Для отримання структур гребінчастих хвилеводів можна використовувати і вологе хімічне травлення у поєднанні з фоторезистивним маскуванням. Таке травлення не приводить до утворення радіаційних ефектів, як у випадку іонного травлення, проте при його використанні дуже важко отримати структури із заданою глибиною і формою профілю з прямокутними стінками.

Як один з варіантів, подібні гребінчасті хвилеводи можна отримувати напилюючи шар металу на підкладку, яка не містить в собі плоского хвилеводного шару. Надалі, після нанесення фоторезиста і його засвічення через маску, відбувається часткове підбурювання металу в незахищеній фоторезистом області. Далі проводиться іонно-плазмове травлення поверхні у фтормісній атмосфері. В результаті після завершення процесу травлення на тлі напиленої плівки виходять ділянки гребінчастих хвилеводів.

У наших експериментах планарні хвилеводні структури створювали методом плазмохімічного осадження шарів кварцового скла, легованого фтором, на кварцову підкладку з подальшим нанесенням шарів синтетичного кварцового скла і фторованого захисного шару. Зображення такого хвилеводного шару приведене на малюнку 7.

Подальше застосування фотолітографії і іонно-плазмового травлення дозволяло отримувати необхідні планарні структури гребінчастих хвилеводів із загасанням менше 0,5 дБ/см.

Мал. 7. Поперечний перетин хвилеводної структури на основі

Гребінчасті хвилеводи можуть виготовлятися методом накладення смужки з хвилеведущим шаром. Замість формування кварцового хвилеводного шару можна використовувати накладену смужку з органічного діелектрика, яка наноситься на верхню поверхню. Форму смужки можна отримати за допомогою того ж процесу фотолітографії, який застосовувався для отримання канальних хвилеводів, розглянутих вище. Хвилеводи подібного типу можна також виготовляти використовуючи маскування фоторезистом, а також за допомогою іонно-променевого або плазмохімічного травлення.

Не всі методи виготовлення канальних хвилеводів засновані на початковому використанні хвилеводів з плоскою структурою. Існують методи, засновані на використанні або дифузії, або іонної імплантації відповідних легуючих атомів безпосередньо в підкладку, але через маску. Такі хвилеводи часто називають зануреними канальними хвилеводами, оскільки вони знаходяться під поверхнею. В даному випадку маскування за допомогою фоторезиста не є ефективним, оскільки останній не витримує дії високих температур, необхідної для проведення дифузії, і не володіє достатньою молекулярною масою для екранування підкладки від високоенергетичних іонів, що потрапляють на неї. Тут зазвичай як маскуючі матеріали використовуються плівки оксидів або , проте для формування малюнка на маскуючому шарі оксиду або металу використовують фоторезист.

При виготовленні хвилеводів безпосередньо дифузією атомів в підкладку украй важлива оптична якість матеріалу підкладки. Він повинен володіти малими оптичними втратами, а також мати гладку поліровану поверхню для попередження розсіяння. Однією з найзначніших переваг методу є планарність процесу -- поверхня підкладки не порушується виступами або западинами, що спрощує процес оптичного узгодження при введенні і виведенні випромінювання, а проблеми, пов'язані із забрудненням поверхні пилом або вологою, зводяться до мінімуму.

Перед тим, як приступати до виготовлення хвилеводної структури, необхідно переконатися в тому, що полоскові хвилеводи, що отримуються методом твердотільної дифузії, є одномодовими на заданій довжині хвилі і забезпечують такий поперечний розподіл інтенсивності світла, яке приводило б до максимального коефіцієнта зв'язку з одномодовим волоконним світловодом.

Як матеріал для виготовлення канальних хвилеводів методом дифузії можна використовувати ніобат літію. Розрахувати заздалегідь процес дифузії титану в анізотропний кристал ніобату літію досить важко, оскільки він, крім усього іншого, залежить і від складу атмосфери, в якій проводиться дифузія, і від параметрів технологічного устаткування. Простіше провести експериментальне «калібрування» цього процесу на реальному технологічному устаткуванні. Для цього необхідно нанести на тестову підкладку, наприклад ніобату літію, декілька різних по ширині смужок титану і провести дифузію в конкретних технологічних умовах.

Далі необхідно провести дифузію титану всередину підкладки з ніобату літію з метою формування безпосередньо хвилеводної структури. Процес дифузії протікає при температурі 980°С протягом 4--6 годин. Підкладку (робочою поверхнею вниз) поміщають в негерметичний контейнер з паладієвої фольги завтовшки 0,2 мм і всі разом розміщують в кварцовій пробірці, на дні якої знаходиться гідроокис літію в кількості 2--3 грами.

Залишається відзначити, що процес дифузії проводиться в атмосфері повітря. Температурні режими, а саме -- швидкість наростання температури, точність підтримки температури дифузії і швидкість охолодження, визначаються типом використовуваної муфельної печі (у нашому випадку це піч типу СУОЛ -0.44/12-М2-У4.2).

Після завершення процесу дифузії і повного охолодження печі з підкладкою (за часом це займає приблизно 14--16 годин) слід провести додатковий огляд хвилеводної системи під мікроскопом на предмет виявлення яких-небудь пошкоджень, викликаних високотемпературною дією на кристал ніобату літію.

Кварцову пробірку і паладієвий контейнер можна використовувати повторно, гідроокис літію слід оновлювати.

До достоїнств цього процесу можна віднести те, що він не такий складний в порівнянні з процесами, які були описані раніше, оскільки немає необхідності у виготовленні плоскої хвилеводної структури по всій поверхні чіпа перед формуванням полоскових хвилеводів.

Суть методу іонного обміну в створенні оптичних хвилеводів полягає в тому, що при контакті поверхні натрієвого скла з розплавом солей типу , і подібні до них іони срібла і калію заміщають іони натрію, що знаходяться в склі. При цьому показник заломлення в приповерхневій області скла зростає. Хвилеводи, отримані в склі при використанні іонів калію, мають малі втрати (порядку 3 дБ/см), добре стикуються з одномодовим волокном. Крім того, при певних технологічних режимах можна добитися рівності швидкостей розповсюдження нижчих хвиль різної поляризації. Це дуже важливо при використанні одномодових волокон з круглою серцевиною.

Підкладка з металевою титановою маскою, оберненою вниз, поміщається на скляні прокладки завтовшки 3--4 мм і пружинним важелем притискається до них. Ванна поміщається в піч марки СНОЛ 1.6.2.51/9-І3, задається робоча температура в камері (355°С). Через 20 хвилин після досягнення цієї температури ванна встановлюється в положення, в якому відбувається процес іонного обміну, який продовжується 10,5 годин. Після закінчення цього часу ванна повертається в початкове положення, і піч вимикається. Ванну із зразком можна витягувати з печі не раніше чим через 15 годин після її виключення.

Залишки солі на поверхні підкладки віддаляються спочатку в посудині з дистильованою водою (4--5 хвилин), а потім в проточній дистильованій воді, протягом 2--3 хвилин. Після цього здійснюється сушка в потоці очищеного і гарячого повітря.

Видалення маски з проводиться в посудині з травником. Склад травильника

(20 мл) + (30 мл) + (5 мл)

Травник нагрівають до 50°С, потім в нього опускають зразок. Процес видалення титанової маски проходить за 1--2 хвилин при помішуванні травника. Як і у разі канальних хвилеводів, що отримуються методом імплантації або дифузії, метод іонного обміну має ті ж достоїнства -- планарний характер хвилеводів і простота технологічного процесу. Крім всього, до достоїнств іонно-обмінних хвилеводів можна віднести їх відносно невисокий рівень втрат. Проте істотним недоліком таких систем є мала різниця фазових уповільнень (порядку 0,1), що, кінець кінцем, не приводить до великого числа спектрально вирішуваних каналів.

2.4 Перспективи розвитку багатоканальних систем зв'язку

Не дивлячись на те, що солітонні системи зв'язку поки що не стали комерційно доступними, багато що говорить про швидкий розвиток солітонної передачі. У солітонних системах не потрібні повторювачі і оптичні підсилювачі, а тому поява таких систем у поєднанні з використанням технології DWDM значно зменшить витрати на передачу інформації. Об'єм публікацій і досліджень, що виконуються університетськими і промисловими науковими центрами, служить безперечним показником величезного інтересу до цієї області і дозволяє сподіватися, що через деякий час солітонні системи зв'язку стануть комерційно доступними. Важливим напрямом в області створення систем із спектральним ущільненням каналів є розробка лазерів з фемтосекундною тривалістю імпульсів і високою частотою їх проходження. Такі лазери створюють спектральний і тимчасовою суперконтиниум, з якого за допомогою демультиплексорів і модуляторів формуються багатоканальні потоки інформаційних імпульсів з розділенням по довжинах хвиль.