| Apie | Žurnalas | Archyvas | Mokslo įdomybės | Paieška |

2002 m. Nr. 3 turinys

· Sistemų integracija - operatyvesnės ir lankstesnės paslaugos vartotojams

Optinis ryšys
· Puslaidininkiniai lazeriai - lemtingo lūžio metas
· Difrakcinė MEMS technologija siūlo naują platformą optiniams tinklams
· Žinutės
· Šviesa virsta skysčiu

· Ieškant tinkamiausiojo paskutinei myliai sprendimo
· Žinutės
· Prastas sandėris
· Konvergencija lusto lygmeniu

Mobilusis ryšys
· Nepriimtina mobiliojo ryšio tinklų pusė
· Visų ryšio standartų mobilusis telefonas
· Žinutės
· Išjunkite telefoną, kitaip jį išjungsime mes patys
· Riksmai orbitoje
· Pasišnekėti - nebrangu, siųsti žinutę - dar pigiau

Tendencijos
· Naujų technologijų įdiegimo Rytų ir Vidurio Europos šalyse problemos
· Rinka jau pradeda atsigauti
· Keturi mobiliosios telefonijos vystymosi scenarijai

Internetas
· Internetinė telefonija sukels revoliuciją
· Kibernetiniai parazitai
· Žinutės

Elektronika
· Geros aušinimo sistemos be kompromisų nesukursi
· Žinutės
· Grojanti striukė
· Nanotechnologijos imasi mokslo grandai
· Trijų pagrindinių spalvų jutikliai perteikia kontrastingesnį vaizdą
· Nauji veidai programuojamos logikos sektoriuje
· Nuo Turingo iki šių dienų
· Kvantiniai supersmegenys
· Kol kas "kiečiausias" tranzistorius
· Popieriaus ir rašiklio sugrįžimas

Difrakcinė MEMS technologija siūlo naują platformą optiniams tinklams

    Dinaminiai komponentai yra nauja prietaisų grupė, papildanti tradicinius aktyviuosius (lazeriai, detektoriai, moduliatoriai) ir pasyviuosius (sutankinimo įrenginiai, izoliatoriai, cirkuliatoriai, atšakikliai) komponentus. Pirmosios kartos dinaminiams komponentams istoriškai galima priskirti variklio valdomus keičiamus optinius ateniuatorius bei mechaninius perjungiklius. Šie ankstyvieji dinaminiai komponentai netenkino integravimo į sistemas ir kompaktiškumo reikalavimų. Dabar dinaminiai komponentai yra gaminami pasitelkus mikroelektromechaninių sistemų (MEMS) technologiją; tarp jų rasime optinius kryžminius atšakiklius, perjungiklius, valdomus filtrus bei lazerius, kanalų bei stiprinimo ekvalaizerius, dinaminius dispersijos kontrolės prietaisus ir programuojamuosius optinius pridėjimo ir numetimo įrenginius.

   Pakanka užsiminti apie MEMS ir daugelis žmonių iškart prisimena mikroskopiškus veidrodžius ir sklendes, ypač tinkančius skaiduliniams optiniams taikymams. Tačiau MEMS technologija yra ne viena. Kiekvienas prietaisas, kuriame aptinkamas mikromechanikos darinys, priskiriamas prie MEMS, o jiems pagaminti tinkančių technologinių procesų yra labai daug ir pačių įvairiausių. Vienais jų galima pasiekti geresnių rezultatų paprastesniais ir ne tokiais brangiais gamybos procesais, kitomis MEMS technologijomis šiose srityse niekuo ypatingu pasigirti negalima.

   Šiems dinaminiams komponentams geriau tinka koncepcija, vadinama difrakcinėmis MEMS arba D-MEMS. D-MEMS komponentuose buvo pasinaudota banginėmis šviesos savybėmis - jos interferencija ir difrakcija. Svarbiausios šios koncepcijos idėjos gimė dešimtojo dešimtmečio pradžioje Stanfordo universitete, kur buvo sukurti vadinamieji moduliatoriai su deformuojamomis gardelėmis.

Stanfordo koncepcija

   Pagal Stanfordo grupės koncepciją yra naudojama vieno bangos ilgio aukštyje virš silicio padėklo kybanti juostelių matrica (žr. 1 pav.). Tokioje būsenoje šis D-MEMS prietaisas primena veidrodį. Prie juostelių prijungus nedidelę įtampą, elektrostatinė jėga jas patraukia žemyn ir šitaip išderina fazinę gardelę. Šviesa difraguoja, o pagrindinis šviesos pluoštelis pradedamas slopinti stipriau - iš čia ir kilęs difrakcinės MEMS terminas.

1 pav. Difrakcinis MEMS prietaisas. Stanfordo koncepcija (kairėje) ir vėliau pasiūlytas achrominis jos variantas (dešinėje).

   Ši technologija, lyginant ją su kitais MEMS tipais, turi nemažai pranašumų. Paprastam, bekontakčiam prietaiso darbui reikalingi labai nedideli (<0,4 µm) juostelių poslinkiai. Kadangi juostelės atsilenkia vos per kelias dešimtąsias mikrono, visas darinys išlieka pakankamai tvirtas. Šis tvirtumas ir maža prietaiso masė, garantuoja didelius rezonansinius dažnius ir dešimčių mikrosekundžių eilės atsako trukmes.

   D-MEMS dariniai iš prigimties yra patikimi ir stiprūs. Laboratorijoje prietaisai buvo junginėjami daugiau kaip 50 mln. kartų, bet jokių pastebimų pokyčių jų parametruose aptikta nebuvo. Jiems yra suteikti "Telecordia" sertifikatai GR-1209 ir GR-1221. Veikiantys prietaisai buvo kratomi 20g pagreičiu, 2 kHz dažniu, tačiau tai mažai darė įtakos jų darbui. Kondensatorių primenantis D-MEMS, lyginant jį su šiluminiu arba magnetiniu būdu valdomais MEMS prietaisais, sunaudoja mažiau energijos ir mažiau kaista.

     Kadangi D-MEMS prietaisai yra planariniai, juos galima gaminti naudojant tipinę 1,0 µm CMOS technologinę įrangą ir standartinių procesų būdu. Tokią įrangą gamina nemažai kompanijų, todėl ji yra patikima ir leidžia užtikrinti gamybos lankstumą. Ši situacija labai skiriasi nuo MEMS prietaisų su judančiais veidrodžiais, sklendėmis ir panašių kitų, nes pastariesiems reikia specialių gamybos įrenginių ir aukštos klasės švarių patalpų.

   D-MEMS gamyba prasideda nuo oksiduotų silicio plokštelių, kurių paviršiuje nusodinamas polisilicio sluoksnis. Polisilicyje suformuojamas reikiamas raštas ir po to jis yra ėsdinamas. Juostelių matrica - tai papildomai nusodinamas, formuojamas ir ėsdinamas silicio nitrido sluoksnis. Mechaninį sluoksnį sudaro žemo slėgio cheminio dujų nusodinimo būdu sudarytas silicio nitridas, viena tvirčiausių silicio technologijos medžiagų, atlaikančių iki 20 GPa dydžio tempimus. Polisilicio sluoksnį yra nuėsdinus išsilaisvina ir juostelių matrica. Galiausiai ir matrica, ir padėklas padengiami aliuminiu. Aliuminio danga tarnauja ir atspindint šviesą, ir prijungiant valdančiąją elektros įtampą. Visą laiką yra naudojami įprastiniai 1,0 µm fotolitografijos procesai.

   Gaminant iš šio darinio prietaisus, pavyzdžiui, kompaktinius optinius ateniuatorius, irgi naudojami standartiniai procesai. Valdomas optinis ateniuatorius (VOA) įmontuojamas standartinėje TO-39 galvutėje. Kapiliaras su dviem skaidulomis pastatomas prieš gradientinį lęšį, sumontuotą ant bloko iš Kovaro. Automatizuotas justiravimas užtikrina patikimą, efektyvų ir spartų surinkimą. Kovaro blokas privirinamas prie galvutės, šitaip hermetizuojant visą MEMS lustą. Viso to rezultatas - tai VOA, kurio skersmuo yra 17 mm, o storis - 9 mm.

Stanfordo koncepcijos trūkumai

    Stanfordo koncepcija pradėta taikyti skaidulinių optinių prietaisų gamyboje. 1998 m pavykus pagaminti kokybiškus, sparčius VOA ir dinaminį stiprinimo ekvalaizerį erbiu legiruotų skaidulinių stiprintuvų (EDFA) stiprinimo charakteristikos išlyginimui. Pačioje pradžioje paaiškėjo du svarbiausieji Stanfordo koncepcijos trūkumai: spektrinė priklausomybė ir priklausomybė nuo šviesos poliarizacijos.

   Slopinimui stiprėjant, įvairiose bangos ilgių spektro dalyse jis kinta nevienodai (žr. 2 pav.). Fazorai E1 ir E2 interferuoja, susideda ir sukuria galinį išvesties lauką Et. Jų amplitudės ir fazės yra vienodos, o tarp jų esantis kampas F keičiamas valdymo signalu. Kai F esti mažas ar nulinis, šviesos daugiausia praleidžiama per matricą, kur jos slopinimas yra labai nedidelis. Pasukus E2 per p, jis panaikina E1, todėl Et=0 (slopinimas yra didžiausias).

2 pav. Nuo bangos ilgio priklausančių nuostolių pasireiškimas tradicinės konstrukcijos VOA prietaise (kairėje) ir prietaise, kuriame buvo norėta gauti achromiškus slopinimo parametrus (dešinėje).

   Tačiau visa tai tinka tik vienam (centriniam) bangos ilgiui lc. Trumpesniuose ir ilgesniuose nei lc bangos ilgiuose fazoras E2 pasisuks daugiau arba mažiau už p, todėl atsiranda papildomas paklaidos vektorius DE2. Šitaip atsiranda išvesties galios paklaida; kitaip tariant, DEt = DE2, o išvestyje šviesos signalas pasklinda abipus centrinio bangos ilgio. Panagrinėkime prietaisą, kurio slopinimas 40 nm pločio C-juostoje yra 15 dB. Iš paskaičiavimų matyti, kad nuo bangos ilgio priklausantys nuostoliai būna apie 1,7 dB, o tai daugeliui taikymų ryšio sistemose yra nepriimtina. Šiuo požiūriu Stanfordo konstrukcija yra netgi blogesnė. Čia irgi tinka įprastinis aiškinimas fazorais, išskyrus tai, kad pradinėje būsenoje F lygus 4p, o maksimalaus slopinimo būsenoje - 3p. Šiuo atveju nuo bangos ilgio priklausantys nuostoliai C-juostoje esti net 6,2 dB. Išties, tai nenaudinga daugeliui taikymų.

Elegantiška išeitis

   Paprasta ir elegantiška išeitis iš šios situacijos - tai achrominė konstrukcija, leidžianti pasiekti labai mažus nuo bangos ilgio priklausančius nuostolius. Panagrinėkime prietaisą, kuriame yra dviejų skirtingų pločių w1 ir w2 juostelės, atskirtos tarpu g/2. Visas darinys ir šiuo atveju yra padengtas šviesą atspindinčiu aliuminio sluoksniu. Taigi vieną tokio darinio periodą sudaro w1, w2 ir du g/2 dydžio tarpai (2×g/2 = g). Juostelės nutolusios nuo padėklo per ts. Sakykime, kad ts = 1,5l, o tai atitinka vieną pralėkimą atitinkančiam fazės pokyčiui, lygiam 6p. Tarkim w2 = w1 + g. Šias sritis atitinkantys fazorai yra pažymėti kaip E2, E1 ir Eg. Pradinėje (atviroje) būsenoje, kai F=0, E1 ir E2 fazės yra nulinės, o Eg fazė yra 6p. Išvesties laukas Et šioje būsenoje būna didžiausias, o slopinimas mažiausias.

Juostelės, prijungus įtampą prie platesniųjų juostelių (w2), yra patraukiamos žemyn. Dėl to fazoras E2 sukasi tol, kol F pasiekia p. Šioje būsenoje E2 sukompensuoja E1 + Eg, todėl Et = 0 (maksimalus slopinimas). Bangos ilgiui keičiantis abipus lc, E2 klaidos vektorius juda kaip DE2. Šiuo atveju Eg paklaidos vektorius DEg juda priešinga kryptimi. Eg fazė būna artima 6p, o E2 fazė - p, todėl tada, kai galios Eg = E2/6, abu paklaidų vektoriai panaikina vienas kitą. Šitaip slopinimas tampa achrominis, nepriklausantis nuo šviesos bangos ilgio. Skaičiavimais yra nustatyta, kad esant 15 dB dydžio slopinimui nuo bangos ilgio priklausantys nuostoliai yra ne didesni kaip 0,1 dB. Praktiškai nesunkiai yra pasiekiamos mažesnės nei 0,4 dB šio parametro vertės.

3 pav. Achrominis keičiamas optinis ateniuatorius, kuriame panaudota nuo šviesos poliarizacijos nepriklausanti visiškai simetriška dviem kryptimis konstrukcija.

Kadangi darinį sudaro juostelės, prietaisas nebūna simetriškas dviem statmenomis kryptimis. Ši asimetrija sąlygoja nuostolių priklausomybę nuo šviesos poliarizacijos, kuri didėja stiprėjant prietaiso sukuriamam slopinimui.

Siekiant susidoroti su šia problema buvo bandoma sukurti visiškai simetrišką dviem kryptimis darinį. Prietaisui, kad jo įnešamas slopinimas nepriklausytų nuo šviesos poliarizacijos, iš esmės yra reikalinga dvimatė fazinė gardelė. Ji sukonstruota taip pat atsižvelgiant ir į achromiškumo reikalavimus. Apvalūs diskai, užfiksuoti tam tikrame aukštyje ts atsako už fazorą E1. Šias saleles supančioje membranoje yra judantys saitai, apsprendžiantys fazoro E2 keitimąsi. Tarpas tarp membranos ir salelių bei nedidelės skylutės membranoje sudaro fazorą Eg. Įvesties optinis pluoštelis apšviečia kiekviena kryptimi po kelias darinio ląsteles. Prijungus prie membranos elektros įtampą atsiranda achrominis slopinimas. Tokie prietaisai dabar sudaro achrominių VOA konstrukcijų pagrindą.


El. p.: info@elektronika.lt