CC BY
207
compared to Asia, the roll-out of FTTx in Europe has been much slower. In Europe, the main incentives to invest in fibre infrastructure have originated from the competitive pressure of alternative operators, but with relatively small, limited developments, rather than nationwide roll-outs. In response to the economic crisis, where operators are reducing their investments by postponing the launch of big projects, governments have begun to deploy incremental public infrastructure programs with an ICT focus. Therefore, in today's situation, the potential of alternative NGN access technologies should be considered as well.
Список литературы:
1. The Development of the Next Generation Network [Электронный ресурс] / J. Paul. - Kühn, 2005. - Режим доступа: http://www.ieee-im.org/2005/ PKKeynote.pdf.
2. Developments of Next Generation Networks ITU 2009 International Telecommunication Union (ITU) [Электронный ресурс]. - Geneva, 2009. - Режим доступа: http://www.itu.int/ITU-D/treg/Documentation/ITU-NGN09.pdf.
3. NGN implantation and implications [Электронный ресурс] // Sameer Sharma. - 2011. - Режим доступа: www.trai.gov.in/WriteReadData/trai/uplo-ad/misc/174/SameerITU%20Activities%20and%20Standadisation%20on%20NGN %20R1.pdf.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ УСТРОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ
© Андросик А.Б.*, Воробьев С.А.*, Мировицкая С.Д.*
Московский государственный открытый университет, г. Москва
В работе дан анализ основных составляющих устройств интегральной фотоники. Выделены базовые блоки, являющиеся основой более сложных интегрально-оптические устройств. Проанализированы требования, предъявляемые к компонентам этих устройств.
В интегральной фотонике есть некоторые основные компоненты, являющиеся общими для большинства интегрально-оптических устройств [1]. Хотя, в основном, все эти компоненты выполняют те же функции, что и соответствующие устройства в обычной оптике, механизм работы этих ком-
* Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук.
* Профессор кафедры Электронной техники, кандидат технических наук.
" Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук.
понент отличен, а их дизайн не имеет ничего общего с традиционными оптическими изделиями.
В настоящее время список интегральных фотонных приборов быстро увеличивается, однако, номенклатура основных компонентов остается почти неизменной. Ниже рассмотрены базовые блоки, из которых строятся более сложные интегрально-оптические устройства. Выделены некоторые из общих компонент и показаны особенности проектирования интегральных фотонных приборов по сравнению с аналогичными оптическими компонентами [2]. Главное отличие заключается в том, что в обычной оптике свет рассматривается как плоские волны или пучки, в интегральной оптике при моделировании используется формализм электромагнитных волн; это происходит, поскольку размер пучка имеет порядок длины волны излучения, обычно в несколько микрон. Фактически, оптическое распространение в интегральных фотонных приборах связано с волноводными каналами размером несколько микрометров по высоте и ширине. Канал расположен в одиночной плоской подложке, другие связанные элементы (электроды, пьезоэлементы, нагреватели и т.д.) расположены на той же подложке, что обеспечивает устойчивость и компактность фотонному прибору. Все основные компоненты, описанные ниже, формируются на одномодовых канальных волноводах.
Оптические элементы, располагающиеся в оптическом чипе, классифицируются по функциональным возможностям на пассивные, активные и нелинейные [3]. Пассивные оптические элементы устанавливают входные / выходные характеристики, определяемые при изготовлении фотонного элемента. Примерами являются делитель мощности (power splitter), волно-водный отражатель (waveguide reflector), направленный ответвитель (directional coupler), поляризатор и поляризационный делитель пучка (polarisation beam splitter). Функциональные оптические элементы - фотонные компоненты, управляемые с помощью внешних полей (например, электрическими, акустическими или тепловыми). В эту группу входят фазовый модулятор, модулятор интенсивности, конвертер частоты и электрооптический конвертер TE / TM конвертер. Хотя некоторые авторы называют эти элементы активные устройствами, здесь используется название «активные элементы» для фотонных компонентов, выполняющих функции оптического усиления и лазерной генерации. Этот выбор связан с тем, что они используют активные примеси (типа редкоземельных элементов), внедренных в структуру волновода; усиление (или генерация) происходит за счет процесса люминесценции, возникающей при оптической (или электрической) накачке. Интегральный оптический усилитель (integrated optical amplifier) и интегральный лазер (integrated laser) - два примера активных элементов (active devices). Некоторые интегральные оптические устройства используют нелинейность определенных материалов для выполнения удвоения частоты (frequency doubling) или оптического параметри-
ческого усиления (optical parametric oscillation); при этом оптический чип генерирует новые частоты путем нелинейного оптического процесса. Поскольку эффективность нелинейных процессов пропорциональна интенсивности света, такие устройства хорошо работают в интегральном фотонном варианте благодаря малым поперечным размерам области волновода, по которому распространяются лучи.
Все оптические компоненты в интегральной фотонике создаются на основе трех базовых элементов: прямой волновод (straight waveguide), изогнутый волновод (bend waveguide) и делитель мощности (power splitter). Используя эти элементы, были разработаны несколько базовых компонентов для выполнения основных оптических функций. Универсальность является одной из особенностей интегральной фотоники. Ниже рассмотрено несколько базисных блоков и оптических элементов, выполняющих основные функции, присущие многим интегральным оптическим устройствам.
Соединитель (Interconnect). Этот базовый элемент служит для оптической связи двух точек фотонной схемы (рис. 1,a). Прямой канальный волновод (рис. 1,б) является самой простой структурой для распространения излучения и связывает различные элементы, расположенные на оптическом чипе. Он может также действовать как пространственный фильтр Гауссовых мод. Для связи различных элементов, расположенных не на одной оптической оси устройства, необходим волновод изгиба, поэтому последний часто называется изогнутым волноводом (рис. 1,в). Они также используются как пространственные канальные волноводы в торцах схемы для присоединения к схеме волоконных жгутов (multiple fibers).
Делитель мощности 1 x 2 (Power splitter 1 x 2). Делитель мощности 1 х 2 - симметричный элемент, разделяющий мощность прямого волновода между двумя выходными волноводами (рис. 1,г). Самый простой вариант делителя мощности - тройник с плавными отводами (Y-branch - Y -разветвитель) (рис. 1,д), легкий в изготовлении и относительно нечувствительный к производственным допускам. Однако радиусы кривизны двух переходов и соединения должны быть корректно спроектированы во избежание потерь мощности. Кроме того, если два плеча отделены наклоненными прямыми волноводами, угол наклона должен быть малым, не превышающим несколько градусов. Другой вариант делителя мощности -многомодовый интерференционный элемент (MMI - multi-mode interference element, рис. 1,е). Это название исходит из многомодовой характеристики широкой волноводной области, где присутствует деление мощности. Преимуществом такой схемы является малая длина MMI по сравнению с тройником с плавными отводами. Хотя габариты MMI не являются критическими, и обладают широким допуском, этот элемент проектируется для конкретной длины волны. Описанные выше два делителя мощности имеют симметричную форму, и входная мощность делится пополам в
каждом выходном волноводе. Однако, для конкретных целей можно спроектировать асимметричные делители. Возможно также создание делителей с N выходными волноводами; в этом случае элемент называется 1 х N делителем (1 х N splitter).
Волноводный рефлектор (Waveguide reflector). Волноводный рефлектор выполняет задачу отражения назад излучения в прямом волноводе (рис. 1,ж). Самым простым способом является помещение металлического зеркала в конце волноводного канала (рис. 1,з). При необходимости отражения только для определенной длины волны, используется мульти стековое диэлектрическое зеркало (multi-stack dielectric mirror). Другим способом построения волноводного рефлектора является использование решетки в области прямого волновода (рис. 1,и). Решетка играет роль селективного элемента, период решетки рассчитывается для рабочей длины волны. Коэффициент отражения решетки зависит от ее размера и глубины модуляции показателя преломления. Селективность решетки также используется для проектирования волноводных фильтров, работающих на условии Брэгга. Помимо этого, решетка в интегральной фотонике используется как оптический элемент для выполнения функций фокусировки, отклонения, связи и разделения излучения в волноводе, обратной связи в интегрированном лазере, преобразователях и т.д.
Волноводный отражатель Вход
Выход
Ж)
Решетка
■ ч
Прямой волновод
б)
Делитель мощность 1x2 Вход - Выход
Многомодоный интерференционный элемент
Направленный ответвитель Входы _Выходы
Л)
ТЕГГМ
iv >ч.
Электрооптический конвертер ТЕ/ТМ mo,j
Ц)
Поляризационный делитель пучка Вход Выход
ТЕЯМ
MoayjiJHiop ин!енсивности Вход -Выход
ЩШг
пдЛ Л
' •У'; Г, <
KoHiäepiep мод
Выход
Рис.1. Интегральные фотонные элементы
Направленный ответвитель (Directional coupler). Этот элемент имеет по два входных и выходных порта (рис. 1,л) и состоит из двух близко расположенных волноводов (рис. 1,м). Принцип работы устройства основан на периодическом обмене оптической мощностью, который происходит между двумя смежными волноводами путем перекрывания угасающих волн рас-
пространяющихся мод. Этот эффект базируется на формализме вытекающей моды. При проектировании задаются следующие параметры: расстояние между волноводами и длина ответвителя, отношение мощностей между двумя выходными портами в интервале от нуля до единицы.
Поляризатор (Polariser). Волноводный поляризатор позволяет передавать излучение, имеющее четко определенный поляризационный характер (TE или ТМ излучение) путем фильтрации одной из составляющих (рис. 1,н). Изготовление волноводного поляризатора аналогично нанесению металлической пленки на волновод (рис. 1,о): излучение распространяется вдоль волновода; его электрическая составляющая располагается строго перпендикулярно плоскости подложки (ТМ мода) и уменьшается вследствие резонансной связи с поверхностными модами. Тогда на выходе волновода присутствует излучение только с TE поляризацией. Поскольку TE мода также испытывает некоторое ослабление, длина пленки тщательно выбирается для получения высокого поляризационного отношения, поддерживающего высокую мощность TE составляющей. Альтернативным способом получения волноводного поляризатора является проектирование волновода, поддерживающего только TE поляризованные моды. Они получены, например, в ниобат литиевых волноводах, изготовленных методом фотонного обмена.
Поляризационный делитель пучка (Polarisation beam splitter). В некоторых интегрально-оптических устройствах требуется деление входного излучения на две ортогонально поляризованные составляющие (TE и ТМ) в двух отдельных портах волновода (рис. 1,п). На рис. 1,р показан интегрально-оптический элемент, базирующийся на подложке из ниобата лития, который выполняет эту функцию: пересекающийся волновод работает как направленный ответвитель, поведение которого зависит от биений между нечетной и четной модой излучения для TE-моды и ТМ-моды, соответственно. Излучение TE-моды распространяется перпендикулярно выходному порту, а ТМ моды - параллельно порту. Поляризационная селективность базируется на двулучепреломлении LiNbO3. Для получения высоких отношений затухания для обеих поляризаций при выбранной длине волны необходимо тщательно подбирать длину и ширину области пересечения.
Фазовый модулятор (Phase modulator). Интегрально-оптический фазовый модулятор осуществляет сдвиг фазы светового пучка (рис. 1,т) и состоит из волноводного канала, изготовленного на подложке с возможностью изменения его показателя преломления внешним полем (тепловым, акустическим, электрическим и т.д.). Самый распространенный фазовый модулятор основан на электрооптическом эффекте: электрическое поле прикладывается к электрооптическому материалу типа LiNbO3, что вызывает изменение его показателя преломления. Электрическое поле, приложенное к вол-новодному каналу, изменяет показатель преломления и постоянную распро-
странения моды; таким образом, излучение, проходящее через эту область, претерпевает изменение фазы (рис. 1,с). Геометрия электродов и величина напряжения зависят от кристаллической ориентации и структуры устройства. Для высокочастотной модуляции необходима специальная конфигурация электрода, типа движущейся волны (traveling wave) или обращения фазы (phase reversal).
Модулятор интенсивности (Intensity modulator). Одна из самых важных функций оптического элемента - модуляция интенсивности света на самых высоких частотах (рис. 1,у). Одним из простых способов решения этой задачи является построение интегрального интерферометра Маха-Цандера (MZI - Mach-Zehnder interferometer) на электрооптическом эффекте (рис. 1,ф). Интерферометр начинается с одномодового волноводного канала, а затем расщепляется на две симметричные ветви посредством Y-разветвителя. На некотором расстоянии эти две ветви становятся параллельными. Интерферометр продолжается симметричной обратной Y-ветвью, и заканчивается в прямом волноводе. Если интерферометр является строго симметричным, свет делиться в первом Y-соединении на две параллельных ветви, а затем повторно объединяется на выходе. Напротив, если в одном из плечей интерферометра происходит изменение фазы на 1800, в конце второй Y-ветви свет двух ветвей объединяется с разной фазой, что приводит к нарушению интерференции света. Изменение фазы в одном из каналов выполняется с помощью электрооптического эффекта путем приложения напряжения в поперечном сечении волновода. Соответственно выбирая кристаллическую ориентацию, поляризацию, геометрию электрода и приложенное напряжение, полное изменение фазы на 180° может быть получено для определенной длины волны.
Конвертер TE/TM мод (TE/TM mode converter). В обычных условиях TE и ТМ моды ортогональны, и передача мощности между ними не происходит. Однако, переход от TE к ТМ (рис. 1,х) достигается использованием электрооптической подложки, имеющей недиагональные элементы, отличные от нуля в электрооптической матрице коэффициентов. Если подложка изготовлена из ниобата лития, требуется периодический электрод, поскольку эти кристаллы являются двоякопреломляющими и поэтому TE и ТМ моды имеет различные эффективные преломляющие индексы (скорости распространения) (рис. 1,ц). Комбинируя фазовый модулятор и конвертер TE/TM мод, можно построить полностью интегральный поляризационный контроллер (integrated polarisation Controller).
Устройство фазового сдвига (Frequency shifter). Сдвиг частоты в интегральной оптике (рис. 1,ч) выполняется посредством акустооптического эффекта. Акустическая поверхностная волна (SAW - acoustic surface wave), полученная пьезоэлектрическим преобразователем, создает решетку Брэгга в акустооптической подложке. Она взаимодействует со светом в спе-
циально созданной области, давая начало дифракции света, что приводит к сдвигу частоты за счет эффекта Доплера (рис. 1,щ). Этот сдвиг соответствует частоте акустической волны.
Далее рассмотрены требования, предъявляемые к основным компонентам интегрально-оптических устройств (рис. 2).
Подложка. Интегрально-оптическое устройство можно сформировать на поверхности подложки из иных материалов, а также изготовить из материала на ее поверхности или в объеме.
Рис. 2. Основные компоненты интегрально-оптических устройств
Во всех случаях к материалу подложки предъявляются требования: механическая прочность; химическая инертность; высокая температура плавления или размягчения; минимальное отличие температурного коэффициента расширения (ТКР) подложки от ТКР остальных элементов устройства; технологичность изготовления и обработки; возможность создания поверхности оптического качества; в ряде случаев - изолирующие свойства и минимальный коэффициент поглощения и заданный показатель преломления.
Волновод. Требования к волноводам определяются функциями, выполняемыми в интегрально-оптическом устройстве и технологией их изготовления. К материалам волноводов предъявляют следующие требования: минимальный коэффициент поглощения в рабочем спектральном интервале; заданный показатель преломления; механическая прочность; минимальное отличие ТКР волновода от ТКР остальных элементов устройства; технологичность изготовления; в ряде случаев - специальные оптические свойства, например, наличие электрооптического эффекта, нелинейно-оптические свойства и др.
Устройства ввода и вывода оптического сигнала. Оптический сигнал может быть сформирован непосредственно в интегрально-оптическом устройстве и преобразован в электрический на выходе устройства. В этом случае для ввода и вывода оптического сигнала используются полупроводниковые лазеры и фотоприемники, встроенные в интегрально-оптическое устройство и оптически согласованные с волноводными структурами. В этом случае к материалам лазеров и фотоприемников предъявляются стандартные требования, обеспечивающие их оптические параметры и технологичность. Если оптический сигнал вводится в интегрально-оптическое устройство извне, например, из оптического волокна и выводится из устройства также в оптическом виде, материалы и устройства ввода и вывода оптического сигнала должны отвечать следующим требованиям: минимальные оптические потери; минимальное светорассеяние и отражение; возможность конструктивного, механического и оптического согласования с интегрально-оптическим устройством; технологичность изготовления.
Буферные, согласующие и защитные слои. К пленочным элементам интегрально-оптических устройств предъявляются следующие требования: высокие механическая прочность и адгезионная способность; химическая инертность; технологичность; заданный показатель преломления; в ряде случаев - специальные оптические свойства, например, высокий коэффициент поглощения, наличие электрооптического эффекта, нелинейно-оптические свойства, а также электроизолирующие свойства.
Вспомогательные элементы. Требования, предъявляемые к материалам вспомогательных элементов определяются их функциональной нагрузкой. Однако и для них справедливы общие требования, предъявляемые ко всем элементам интегрально-оптических устройств: механическая прочность; возможность конструктивного, механического и оптического согласования с интегрально-оптическим устройством; технологичность изготовления.
Материалы интегральной фотоники. Основные материалы устройств интегральной фотоники приведены на рис. 3. Монокристаллические диэлектрики и полупроводники. Монокристаллические диэлектрики и полупроводники используются в интегрально-оптических устройствах в качестве подложек, оптических волноводов, для изготовления источников излучения и фотоприемников.
Пленкообразующие материалы. Пленки диэлектриков, полупроводников и металлов широко используются для создания интерференционных фильтров, отражающих, просветляющих и защитных покрытий. Для создания тонких оптических слоев используются пленкообразующие материалы, т.е. материалы, способные при использовании определенной технологии формировать на поверхности гладкий, равномерный и плотный слой.
Материалы с низким показателем преломления (СаЕ2> М^2, 8Ю2) используются в качестве согласующих слоев. Пленки SiO2 и А1203, обладаю-
щие высокой химической инертностью, используются в качестве защитных покрытий. На основе пленок из материалов с высоким показателем преломления (ТЮ2, 2п0, изготавливаются планарные и полосковые волноводы. Пленки LiNbOз и ВаТЮз в интегральной оптике применяются для изготовления электроуправляемых оптических переключателей и коммутаторов оптических сигналов. Пленки металлов используются для формирования электродов и плазмонных волноводов. Толщина пленки определяется функцией, выполняемой в устройстве. Толщины буферных, согласующих и защитных слоев варьируются от 0.05 до 1 мкм. Толщины пленок, формирующих волновод, лежат в интервале 0.5 ... 10 мкм.
Рис. 3. Основные материалы устройств интегральной фотоники
Для изготовления пленок используются методы вакуумного нанесения, золь-гель методы и методы эпитаксии. В методах вакуумного нанесения исходный материал, как правило, представляет собой таблетку, спрессованную из порошка. В золь-гель методах применяются растворы гидро-лизующихся неорганических соединений металлов или металлоорганиче-ские соединения. В технологиях, основанных на эпитаксии, исходные материалы используются в газообразном виде или в виде расплава.
При использовании методов вакуумного нанесения и золь-гель методов пленки получаются аморфными или поликристаллическими. Поэтому показатель преломления пленок, полученных этими методами, несколько меньше показателя преломления аналогичного объемного материала. Методы эпитаксии позволяют получать монокристаллические пленки. В этом случае показатель преломления пленки будет точно соответствовать показателю преломления объемного монокристалла.
Для формирования монокристаллических пленок в методах эпитаксии используются монокристаллические подложки с определенной кристаллографической ориентацией и периодом кристаллической решетки, близким к периоду решетки формируемой пленки.
Стекла. В интегрально-оптических устройствах стекла применяются в качестве подложек, оптических пленочных волноводов и слоев с различными функциональными свойствами.
По своему химическому составу стекла делятся на два основных класса: оксидные и бескислородные стекла (рис. 4).
Рис. 4. Основные классы стекол
Оксидные стекла представляют собой широкий класс оптических материалов, в котором наиболее важное место занимают силикатные, фосфатные и германатные стекла. В этих стеклах основой является соответственно SiO2, Р205 и GeO2, а в качестве добавок, определяющих свойства стекла используются оксиды металлов: №, К, В, А1, Ва, 2п и др. Достоинствами оксидных стекол являются их низкая стоимость, высокое оптическое качество, химическая устойчивость и механическая прочность.
К бескислородным стеклам относятся халькогенидные и галогенид-ные стекла. Основу халькогенидных стекол составляют сульфиды, селени-ды и теллуриды мышьяка и германия. Особенностью данного класса стекол является их высокий показатель преломления (п = 2,2 ... 3) и прозрачность в среднем ИК диапазоне. На основе халькогенидных стекол создают оптические волноводы, волноводные голограммы, акустооптические и нелинейно-оптические устройства для интегральной оптики.
К галогенидным стеклам, в основном относятся фторидные и хлорид-ные стекла. Примерами фторидных стекол являются фтороцирконатные стекла, имеющие состав: 2^4-ВаР2-ЬаР3-АШ3-ЫаР, а также фтороиндиевые стекла состава: ВаР2-1пР3-ОаР3-ЬаР3-в№3. Такие стекла, легированные ионами редкоземельных металлов применяются для создания волноводных усилителей и конвертеров для преобразования ИК излучения в видимое. Хлоридные стекла, как правило, изготавливают на основе хлорида висмута с концентрацией BiQ3 до 75 %, например: №С1-Т1С1-РЪС12-ВЮ3 или КВг-РЪС12-ВЮ3. Такие стекла прозрачны в спектральном интервале до 14 мкм и имеют высокий показатель преломления (п = 1,95.2,3). Особенностью висмутсодержащих хлоридных стекол является их ярко выраженная оптическая нелинейность.
Оптические ситаллы. Оптические ситаллы представляют собой гете-рофазные стекла с микрокристаллической фазой (рис. 3). Они имеют высокие механическую и термическую прочности, химическую устойчивость и низкий температурный коэффициент линейного расширения. Оптические ситаллы изготавливаются на основе оксидных силикатных стекол путем введения в стекло при варке компонентов, склонных к образованию кристаллической фазы, и последующей термообработки стекла. Примером оптического ситалла является алюмосиликатная система Li2O-Al2O3-TiO2-SiO2, в которой микрокристаллическая фаза образована А^3.
В интегральной оптике ситаллы могут использоваться в качестве подложек для интегрально-оптических схем. В ситаллах методом ионного обмена могут быть созданы оптические волноводы. Пленочные волноводы из ситаллов могут также изготавливаться золь-гель методами.
Композитные материалы. Оптический композит - это среда, состоящая из двух и более компонентов (рис. 3). Как правило, композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в которой находятся мелкие частицы материала с иными оптическими свойствами. В качестве матрицы используются стекла, полимеры, жидкости. Важным свойством композитов является возможность варьирования в широких пределах их оптических свойств, как линейных, так и нелинейных. Это позволяет создавать новые оптические материалы, свойства которых существенно отличаются от свойств входящих в них компонентов.
Металлы. Металлы в интегральной оптике, как правило, используются в виде тонких пленок. Из металлов с высокой проводимостью формируют электроды для оптических переключателей и коммутаторов, управляемых электрическими сигналами, для фотоприемников и источников излучения. Благородные металлы (Ag, Аи) в виде тонких пленок применяются для создания плазмонных волноводов и других плазмонных оптических устройств -концентраторов, резонаторов, наноантенн и т.д.
В видимой области спектра и ближнем ИК-диапазоне металлы с высокой проводимостью имеют показатель преломления п << 1, а в среднем ИК-диапазоне большинство металлов имеет п >>1. Кроме того, во всех рассматриваемых областях спектра п < К. Это приводит к тому, что у большинства металлов действительная часть диэлектрической проницаемости е' < 0. Высокий коэффициент поглощения металлов оказывает сильное влияние на условия каналирования электромагнитной волны по волноводу и приводит к ее сильному затуханию. Это необходимо учитывать при расчете и изготовлении волноводов с металлическими электродами. Для уменьшения влияния электродов на распространение оптических сигналов по волноводам между электродом и волноводом вводят буферные слои с низким показателем преломления.
Технологические методы изготовления волноводных структур. Выбор технологии изготовления волновода для интегральной оптики опреде-
ляется материалами волновода и подложки, геометрией волновода и профилем показателя преломления сердцевины волновода. На рис. 5 показаны основные технологические методы и процессы, применяемые для изготовления планарных и полосковых волноводов.
Рис. 5. Технологии изготовления оптических волноводов
Для создания сложных многокомпонентных устройств интегральной оптики, как правило, используют сочетание нескольких методов и технологий. Для создания волноводных структур в большинстве случаев применяют методы фотолитографии. Обобщенная схема технологического процесса изготовления интегрально-оптического устройства показана на рис. 6. Процесс начинается с изготовления подложек и включает изготовление материала подложек, резки и шлифовки заготовок и их окончательную полировку. Затем проводится изготовление слоев с высоким показателем преломления и создание на подложке волноводов заданной конфигурации с помощью фотолитографии. (В зависимости от конструкции конкретного интегрально-оптического устройства в процесс могут вводиться дополнительные операции, в том числе, изготовление буферных слоев. В этом случае реализуются дополнительные этапы фотолитографии).
Рис. 6. Технологический процесс изготовления интегрально-оптического устройства
Затем проводится изготовление согласующих и вспомогательных слоев. Каждый из этих этапов включает в себя фотолитографию. При создании слоев сложной конфигурации и многослойных конструкций каждый этап может повторяться несколько раз (на рисунке повторы показаны пунктиром).
Методы вакуумного напыления используются для создания волноводов в виде тонких пленок, а также для нанесения тонкопленочных покрытий на волноводы. Суть методов вакуумного нанесения заключается в том, что в вакууме создают поток атомов или молекул, которые, осаждаясь на подложки в виде тонкого равномерного слоя, формируют планарные волноводы.
Существует ряд методов вакуумного напыления пленок материалов, отличающихся способом создания потока атомов, ионов или молекул материала (рис. 7).
Рис. 7. Основные методы вакуумного напыления
Выбор метода определяется теплофизическими и химическими свойствами наносимого материала и требованиями к характеристикам пленки. Методы вакуумного нанесения пленок позволяют создавать волноводы со ступенчатым профилем показателя преломления.
Для формирования планарных оптических волноводов из монокристаллических материалов используют технологии эпитаксии - ориентированного роста слоев, кристаллическая решетка которых повторяет кристаллическую структуру подложки. Если подложка и слой состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, а если из различных - гетероэпитаксиальным. Если эпитаксия происходит в результате химического взаимодействия вещества подложки с веществом растущего слоя, то такой процесс называется хемоэпитаксией. Существует целый ряд технологических методов и приемов эпитаксии, позволяющих вырастить монокристаллические слои полупроводников и диэлектриков на монокристаллических подложках. Основные методы эпитаксии представлены на рис. 8.
Фотолитографические процессы занимают важное место в технологии изготовления интегрально-оптических устройств. По продолжительности и трудоемкости на них приходится до 50 % времени и трудовых затрат. Фотолитография была разработана для нужд микроэлектронной промышленности и, в основном, ориентирована на обработку полупроводников, в первую очередь кремния. Однако, практически все методы и приемы фото-
литографии могут быть использованы для изготовления устройств интегральной оптики, тем более, что кремний широко используется для изготовления оптических волноводов, оптических переключателей, фильтров, интегральных микромеханических устройств и других волноводных функциональных узлов.
Рис. 8. Методы эпитаксии
В последние годы начало развиваться новое технологическое направление - формирование волноводов в стеклах лазерным излучением. Данный метод основан на необратимом изменении показателя преломления некоторых стекол под действием лазерного излучения. Для записи волноводов используется сфокусированный лазерный пучок, который движется вдоль подложки. Фокус пучка может находиться вблизи поверхности подложки, либо в глубине стекла. В зависимости от этого формируется либо внедренный волновод, либо погруженный в стекло. Для записи волноводов могут использоваться специальные фоточувствительные и фоторефрактив-ные стекла. Запись волновода может проводиться непрерывным или им-пульсно-периодическим излучением. При использовании фемтосекундных лазерных импульсов волновод может быть сформирован и в других типах стекол, например кварцевом, фторидном и германатном стеклах. Достоинством данного метода является его технологическая простота и отсутствие трудоемких фотолитографических процессов. Необходимо отметить, что методом лазерной записи в стеклах могут быть сформированы не только оптические волноводы, но и дифракционные решетки, голограммы, микролинзы, амплитудные и фазовые транспаранты и другие оптические элементы.
Изготовление даже простейшего интегрально-оптического устройства является сложным, многоступенчатым, длительным и дорогостоящим технологическим процессом с использованием сложного технологического оборудования и большого количества вспомогательных материалов. Однако, технологии микроэлектроники и интегральной оптики рассчитаны на одновременное изготовление большого количества устройств. Так, на каждом этапе технологического процесса одновременно может обрабатываться до не-
скольких десятков подложек, каждая из которых содержит от сотен до тысяч интегральных устройств. Все процессы, включая промежуточный контроль, автоматизированы. Поэтому, несмотря на сложность технологического процесса, себестоимость отдельного устройства оказывается невысокой.
Список литературы:
1. Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Основы волновод-ной фотоники. - М.: МГОУ 2009. - 246 с.
2. Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Математические основы волноводной фотоники. - М.: МГОУ, 2010. - 224 с.
3. Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Волноводная и интегральная фотоника. - М.: МГОУ, 2011. - 370 с.
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЛОНГИРОВАННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ КОНЕЧНЫХ ПОЛЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА
© Бондарь В.В.*
Ставропольский государственный университет, г. Ставрополь
В статье предлагается математическая модель системы пролонгированной безопасности, основанная на использовании полей Галуа специального вида для периодического обновления секретных ключевых параметров.
Одним из наиболее перспективных направлений развития современной криптографии является разработка систем пролонгированной безопасности, основанных на совместном применении пространственного разделения и периодического обновления секретной информации.
Предложим математическую модель системы пролонгированной безопасности, в которой периодическое обновление секретных данных осуществляется с помощью «блуждающих» ключей.
Для разделения общего секретного ключа я0 выберем (п, к)-пороговую схему разделения секрета (СРС) из [1], которая задается следующими параметрами:
1. Число абонентов системы - п; пороговое число разделяемых элементов - к.
2. Характеристические числа абонентов: {т1, ш2, ..., тп}, где е Ы, НОД(ш„ т3) = 1 для любых /,] (/ Ф], I = 1, п,] = 1, п).
* Доцент кафедры Высшей алгебры и геометрии, кандидат физико-математических наук, доцент.
