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.