Kopioi artikkelin PDF-versio
Kopioi artikkelin PDF-versio
Internet-palvelujen ja datasiirron voimakas kasvu edellyttää tietoliikennetekniikalta suurta kapasiteetin lisäystä. Keskeisessä osassa ovat optinen moniaaltotekniikka ja täysoptiset verkot sekä niihin liittyvä kuituverkkojen täydentäminen uusilla integroiduilla optisilla komponenteilla.
Vaikka kuituoptisen tiedonsiirtotekniikan perusosat ovat olleet kaupallisesti jo pitkään saatavilla, on valokuidun päätekomponenteissa paljon kehittämisen tarvetta. Tätä on erityisesti viime vuosina stimuloinut usean aallonpituuden samanaikaiseen käyttöön perustuva moniaaltotekniikka (WDM, wavelength division multiplexing). Siinä verkon pääte- tai solmukohtaan saapuu yksi tai useampia valokuituja, joissa kaikissa voi olla kymmeniä lähellä toisiaan olevia aallonpituuskanavia. Niiden ohjaus vaatii optista erottelua, kytkentää ja haaroitusta.
Uudet WDM-järjestelmät edellyttävät komponentteja, joilla pystytään erottelemaan valoaallot eri kanaviin jopa 0,8 tai 0,4 nanometrin aallonpituusresoluutiolla (100 tai 50 GHz), ylikuulumisvaimennuksen ollessa yli 20 dB. Tiedonsiirtoverkoista pyritään samalla tekemään täysoptisia, jotta saavutettaisiin verkon optinen läpinäkyvyys eli riippumattomuus käytetystä tiedonsiirtoprotokollasta. Optisen tiedonsiirtotekniikan kehittymisessä tärkeässä osassa ovat nyt integroidut optiset komponentit.
Integroidulla optiikalla tarkoitetaan valon synnyttämistä, detektointia ja hallittua ohjailua tasomaisten alustamateriaalien päälle valmistetuissa optisissa valokanavissa. Valokanavissa käytettävät materiaalit ovat yleisimmin joko pii- tai lasialustoille valmistettuja eristekerroksia tai yhdistepuolijohteita (GaAs, InP). Optisen tietoliikennetekniikan lisäksi integroituun optiikkaan perustuvilla ratkaisuilla on käyttöä myös erilaisissa antureissa (esim. bio- ja lääketieteessä) sekä optisessa signaalinkäsittelyssä. Eri sovelluksissa painotetaan eri tavalla vaatimuksia komponentin nopeuden, luotettavuuden, optisten häviöiden, signaalikanavien välisen ylikuulumisen, tehonkulutuksen ja hinnan välillä.
Kuituoptisiin komponentteihin verrattuna integroitu optiikka tarjoaa mahdollisuuden komponenttien koon huomattavaan pienentämiseen, edulliseen massavalmistukseen ja ympäristöolosuhteiden (mekaaninen rasitus, tärinä, lämpötilamuutokset) aiheuttamien häiriöiden vähentämiseen. Vastaaviin sähköisiin tiedonsiirto- ja anturikomponentteihin nähden etuna on suurempi tiedonsiirtokapasiteetti ja signaalinopeus sekä riippumattomuus ulkoisista sähkömagneettisista häiriökentistä. Rajoituksena puolestaan on ainakin toistaiseksi valokanavien pienempi pakkaustiheys ja korkeammat pakkauskustannukset sähköisiin johtimiin verrattuna sekä puhdastilaprosessoinnin edellyttämät tuotannon suuret aloituskustannukset kuituoptiikkaan verrattuna.
Taitekerroinero pitää valon kanavassa
Valon eteneminen valokanavassa perustuu kokonaisheijastukseen ytimen ja sitä ympäröivän taitekertoimeltaan matalamman eristekerroksen rajapinnassa. Heijastuva optinen teho tunkeutuu osittain ytimen ulkopuolella olevaan eristemateriaaliin. Valokanavan muodostavien materiaalien on läpäistävä valoa hyvin eli niillä on oltava alhainen optinen vaimennus. Lasi, piidioksidi ja piinitridi läpäisevät hyvin valoa sekä näkyvillä (anturisovellukset) että infrapuna-alueen aallonpituuksilla (tietoliikenne). Pii absorboi voimakkaasti näkyvällä 400 -- 800 nanometrin aallonpituusalueella, mutta soveltuu hyvin tietoliikennesovelluksiin (esim. 1300 ja 1550 nm). Ohut piikerros saadaan infrapunavaloa ohjaavaksi ja sähköisesti alustana olevasta piikiekosta eristetyksi käyttämällä SOI -teknologiaa (Silicon On Insulator), jossa eristeenä käytetään ohutta piidioksidikerrosta.
Ydinmateriaalin ja sitä ympäröivien materiaalien väliset taitekerroinerot vaikuttavat valokanavan poikkileikkauksen muodon ja koon valintaan. Suuri taitekerroinero takaa paremmin valon pysymisen valokanavassa, jolloin kanava voidaan taivuttaa pienemmälle mutkalle ja kanavien pakkaustiheys kasvaa. Tasomaisille alustoille ohutkalvotekniikoilla valmistetuilla valokanavilla taitekerroinero voi olla erilainen pysty- ja vaakasuunnassa. Suorakulmaisen ytimen lisäksi voidaan käyttää esimerkiksi harjannemaisia poikkileikkausmuotoja.
Optisen tehojakauman ulottuminen varsinaisen ytimen ulkopuolelle mahdollistaa valon kytkeytymisen kahden rinnakkaisen valokanavan välillä. Tämä rajoittaa valokanavien pakkausta alustakiekolle, mutta myös tarjoaa mahdollisuuksia optisten kytkinten ja haaroittimien valmistukseen. Optisissa kuiduissa on pieni taitekerroinero ja pyöreä tehojakauma. Kuitujen ja valokanavien yhteen kytkemisen optimoimiseksi niiden taitekerroin- ja tehojakaumien tulisi olla mahdollisimman lähellä toisiaan. Tällöin liitoksessa häviää ja heijastuu takaisin mahdollisimman vähän tehoa.
Tietokone välttämätön apuväline
Integroiduissa optisissa piireissä etenevä valo muodostuu suurella taajuudella värähtelevistä sähkömagneettisista kentistä. Komponentti- ja järjestelmätason suunnittelussa nämä kentät täytyy laskea tietokoneen avulla. Matematiikka ja fysiikka eivät nimittäin tarjoa valon etenemiselle valokanavassa mitään yleisiä analyyttisiä ratkaisuja. Integroidun optiikan simulointi nykytekniikalla edellyttää kuitenkin yksinkertaistavien oletusten tekemistä.
Esimerkkinä täydellisen mallituksen mahdottomuudesta voidaan tarkastella mielivaltaisen optisen kentän etenemistä yhden kuutiomillimetrin tilavuudessa yhden millisekunnin ajan. Ratkaistavana on vektorimuotoiset sähkö- ja magneettikentät kolmiulotteisessa taitekerroinrakenteessa ajan funktiona. Käytännössä tarkasteltava aika ja paikka on jaettava pieniin laskentaelementteihin, joiden koko määrää laskentatarkkuuden. Esimerkiksi tietoliikenteessä yleisimmin käytetyllä 1550 nanometrin aallonpituudella värähtelevän infrapunavalon jaksonaika on noin 5x10-15 sekuntia. Vaikka jokaiselle värähtelyjaksolle varattaisiin aika- ja paikka-avaruudessa vain yksi laskentaelementti niin elementtejä kertyy yhteensä yli 1020. Kun jokaisessa elementissä on vielä ratkaistavana kuusi toisiinsa ja muihin elementteihin kytkeytynyttä kenttämuuttujaa, niin nykytietokoneiden muisti loppuu kesken.
Onneksi laskentaelementtien ja muuttujien määrää voidaan eri tavoin radikaalisti vähentää. Useimmiten rajoitutaan tarkastelemaan vain yhtä kenttämuuttujaa kerrallaan ajasta riippumattomassa tasapainotilassa. Lisäksi voidaan eliminoida joku kolmesta paikkakoordinaatista, mikäli sen suhteen ei tapahdu merkittäviä muutoksia. Esimerkiksi suorassa valokanavassa etenevän valon nopeus ja tehojakauma voidaan laskea pelkän valokanavan poikkileikkauksen perusteella. Vastaavasti alustakiekon pintaan ohutkalvotekniikalla tehtyä optista piirikuviota voidaan yleensä simuloida pelkän pintatason perusteella. Kun ratkaisun pohjaksi oletetaan jälkimmäisessä tapauksessa koko laskenta-alueella yhtenäinen harmoninen aaltoliike, niin erittäin nopeasti värähtelevän kentän sijasta voidaan keskittyä laskemaan vain sen hitaita amplitudimuutoksia.
Laskentakapasiteetin rajoitukset edellyttävät usein tarkasteltavan komponentin jakamista osiin, joille erikseen sovelletaan optimaalisia mallitusmenetelmiä. Komponenttien hankalimmat osat ovat niitä, joissa valo etenee useaan eri suuntaan ja samalla esimerkiksi vaimenee, vahvistuu tai heijastuu useita kertoja. Jos tällaiset osat saadaan rajattua riittävän pieniksi, niin niillekin voidaan pienellä kärsivällisyydellä löytää riittävän tarkka ratkaisu. Tuotekehityksen haasteena on löytää kuhunkin tilanteeseen sopiva mallitusmenetelmä, jolla tarkkuuden ja laskentakapasiteetin väliltä löytyy käyttökelpoinen kompromissi. Lopullinen optimointi täytyy kuitenkin tehdä kokeellisesti, sillä teoria, simulaatio ja todellisuus eivät koskaan vastaa täydellisesti toisiaan.
VTT:llä käytetään integroidun optiikan tutkimuksessa useita erilaisia mallitusmenetelmiä. Niiden avulla on suunniteltu eri sovelluksiin räätälöityjä valokanava- ja komponenttirakenteita. Mittaus- ja mallitustulosten eroista saadaan tietoa muun muassa prosessoitujen ohutkalvokerrosten ominaisuuksista. Tietoja voidaan käyttää yhä parempien valmistus- ja simulointimenetelmien kehittämisessä.
Valmistus mikroelektroniikan menetelmin
Valokanavien tukirakenteena toimii alustakiekko, jolle kanavat valmistetaan yhdistelemällä pääasiassa kolmea eri teknologiaa: kalvon kasvatus, fotolitografia ja syövytys. Alustana voi toimia lasi, yhdistepuolijohde tai pii. Piin käyttö alustamateriaalina tarjoaa monia etuja integroidun optiikan valmistusprosessien kannalta. Piitä on saatavana suurina, hyvälaatuisina kiekkoina edulliseen hintaan ja sen mekaaniset sekä termiset ominaisuudet soveltuvat hyvin integroidun optiikan tarpeisiin.
Valmistettaessa valokanavia piialustalle voidaan soveltaa ja muokata mikroelektroniikassa ja mikromekaniikassa käytettyjä prosesseja ja laitteita. Tämä mahdollistaa myös sähköisten ja mekaanisten toimintojen yhdistämisen monoliittisesti optisiin komponentteihin. Mikro-optoelektronisilla mekaanisilla systeemeillä (MOEMS) tarkoitetaan teknologiaa, jossa on integroitu samalle alustalle optiikkaa, elektroniikkaa ja mekaniikkaa. Yksikiteinen pii tarjoaa myös mahdollisuuden kuitujen ja valokanavien liittämiseen toisiinsa passiivisella kohdistuksella.
Piialustalle valokanavat valmistetaan yleensä kasvattamalla paksu optinen puskurikerros, jonka päälle kasvatetaan valoa johtava ydinkerros. Valon kulku ohjataan ydinkerrokseen luomalla sopiva taitekerroinero eri kerrosten välille. Tämä kaksikerrosrakenne toimii jo tasoaaltojohteena, jossa valo pystyy etenemään. Integroitu optinen piiri siirretään maskilta tasoaaltojohteeseen fotolitografiaa käyttäen. Maskina toimii lasilevy, jonka pinnalla on ohuesta UV-valoa läpäisemättömästä metallikalvosta tehty piirikuvio. Tasoaaltojohteen pinnalle levitetään valoherkkä kalvo, johon piirikuvio siirretään ultraviolettivalotuksella. Valoherkkä kalvo kehitetään pois valottuneilta alueilta ja jäljelle jäävä kalvo toimii maskina seuraavassa prosessivaiheessa. Varsinaiset valokanavarakenteet kuvioidaan ydinkerrokseen kuivasyövytysmenetelmiä käyttäen. Lopuksi niiden päälle kasvatetaan optisesti eristävä päällyskerros, jonka on peitettävä hyvin ydinkerrokseen syövytetyt rakenteet.
Kalvokerrosten paksuudet ja syövytettävien rakenteiden syvyydet ovat integroidussa optiikassa yleensä mikrometristä kymmeniin mikrometreihin materiaalista ja sovelluksesta riippuen. Tämä asettaa haasteita mikroelektroniikasta tutuille valmistusmenetelmille, muun muassa syövytysmaskeille ja päällyskerroksen kasvatukselle. Syövytysprosessi on tunnettava hyvin ja sen on oltava toistettava, jotta taataan hyvä valokanavan reunanlaatu ja valokanavan leveyden säilyminen prosessissa. Valokanavan reunan laatu vaikuttaa suoraan signaalin vaimenemiseen kanavassa ja valokanavan leveyden muutos voi vaikuttaa komponenttien toimintaan esimerkiksi muuttamalla optisen tehon kytkeytymistä vierekkäisten valokanavien välillä.
Valmistettaessa valokanavia lasialustalle tai polymeeriin valmistustekniikka poikkeaa yleensä edellisestä. Lasialustalla käytetään niin kutsuttua ionivaihtotekniikkaa, jossa lasimateriaalin koostumusta muutetaan paikallisesti luoden valon kontrolloidulle etenemiselle tarvittava taitekerroinprofiili. Polymeerikanavat voidaan valmistaa tavallisen syövytystekniikan lisäksi esimerkiksi muottiin valamalla tai painamalla haluttu rakenne muotin avulla polymeerin pintaan. Polymeerikanavien alustamateriaali voi olla muun muassa lasi, pii tai polymeeri.
Täysoptinen tiedonsiirto
Integroidun optiikan komponenttien passiivisia perusosia ovat valokanavat, haaroittimet ja suuntakytkimet. Yhdistämällä perusosia ja monimutkaisempia rakenteita, kuten hiloja ja resonaattorirakenteita, on mahdollista toteuttaa ilman aktiivista ohjausta valotehon jako eri kanaviin sekä WDM-verkoissa tarpeelliset lisää/pudota-toiminto, aallonpituusselektiivinen kanavointi tai optinen suodatus. Näin piille ja lasille valmistetut monoliittiset komponentit mahdollistavat WDM-verkkojen tarvitsemien funktioiden toteuttamisen kompaktisti.
Optisten verkkojen tarvitsemat ohjattavat kytkimet perustuvat nykyisin termo-optiseen ilmiöön. Lämmittämällä optista kanavaa aikaansaadaan pieni taitekertoimen muutos, jolloin valo saadaan ohjattua haluttuun porttiin. Tyypillisesti termo-optisilla komponenteilla kytkentäaika on alle 1 ms, joka on riittävä monissa tietoliikennesovelluksissa. Nopeammat kytkimet perustuvat esimerkiksi elektro-optiseen ilmiöön, jossa sähkökentällä moduloidaan optisen kytkentäalueen taitekerrointa.
Tulevaisuuden täysoptiset verkot, joissa elektroninen ohjaussignaali on voitu korvata optisella ohjauksella, edellyttävät yhä monimutkaisempia optisia piirejä. Piipohjaiset valmistustekniikat mahdollistavat optisten komponenttien integroinnin tai hybridoinnin samalle alustalle esimerkiksi elektronisten ohjauspiirien ja mekaanisten kytkimien kanssa. Tulevaisuuden sovelluskohde optisille piireille ja valokanavateknologioille löytyy myös tietokoneiden dataväylistä. Elektroniset dataväylät voidaan korvata suuren kaistanleveyden tarjoavilla optisilla paikallisväylillä tietokoneiden sisäisessä tiedonsiirrossa.
Optisen tiedonsiirron ohella mittaustekniikka ja erilaiset anturirakenteet ovat integroidun optiikan tärkeimpiä sovelluskohteita. Valokanavassa etenevä kenttä on mahdollista herkistää ulkoisille häiriöille. Ulkoinen voima voi olla esimerkiksi paine, lämpötila, kiihtyvyys tai taitekertoimen muutos. On mahdollista integroida interferometri tai spektrometri muutaman neliömillimetrin alalle ja rakentaa näin erittäin herkkiä ja luotettavia mittalaitteita. Tällä hetkellä on kaupallisesti saatavilla muun muassa piille integroituja optisia etäisyysmittareita.
Optisten piirien maailmanvalloitusta on toistaiseksi hidastanut kuitu-valokanavaliitosten vaikeasti automatisoitava massavalmistustekniikka. Tällä hetkellä markkinoilla olevat planaariset optiset piirit liitetään kuituun käyttämällä erillistä piistä litografisesti valmistettua V-ura-alustaa. Se pystytään toteuttamaan alle 1 mikrometrin tarkkuudella, jolloin optinen kuitu tai kuiturivi on mahdollista liittää vastaavalla tarkkuudella optiseen komponenttiin. Edullisia ja tuotannollisempia menetelmiä kehitetään kuitenkin kiihkeästi ympäri maailmaa. Piipohjaista integroitua optiikkaa valmistaa tällä hetkellä sarjatuotantona alle kymmenen suurta yritystä ympäri maailmaa.
Aiheesta enemmän
Simulointiohjelmisto www.bbv-software.com&
IBM Zurichwww.zurich.ibm.com/Technology/Optics/index.html
Lucentwww.bell-labs.com/org/physicalsciences/projects/optical.html
SOI-tekniikkawww.bookham.com
VTT:n tutkimusryhmä www.ele.vtt.fi/docs/emk/docs/microsys/general.htm
Elektronisuihkulitografiahttp://physics.joensuu.fi
VTT Elektroniikan Mikroelektroniikkakeskuksessa (MIK) suunnitellaan ja valmistetaan integroidun optiikan komponentteja piille useissa eri projekteissa. Piille integroituja valokanavarakenteita on MIK:ssä valmistettu muun muassa Arizonan yliopiston optiikan tutkimuskeskukselle ja sen yhteistyökumppaneille. VTT:n teknologioilla kehitettyjä valokanava-antureita sovelletaan siellä erilaisten haitallisten kaasujen havainnoimiseen. Euroopan Avaruusjärjestölle MIK kehittää koherenttiin tiedonsiirtoon kanavasummainta SiOxNy-teknologiaan perustuen. VTT:n strategisessa tutkimusohjelmassa kehitetään SOI-teknologiaan pohjautuvaa termo-optisesti ohjattua Mach-Zehnder-tyyppistä 2x2-interferenssikytkintä.
Integrated Waveguide Bragg Gratings -tutkimuksessa pyritään integroimaan heijastavia hilarakenteita piivalokanaviin. Hilarakenteita voidaan hyödyntää tietoliikenteessä esimerkiksi moniaaltotekniikassa tarvittavan lisää/poista-toiminnon toteuttamisessa sekä eräissä anturisovelluksissa. Hilarakenteiden toteuttaminen piivalokanavien yhteyteen on valmistusteknisesti vaativaa, koska hilaperiodit ovat pieniä (alle 0,5 mikrometriä). Normaalin fotolitografian sijasta kuvioinnissa käytetään elektronisuihkulitografiaa, jossa valoherkän kalvon "valotus" toteutetaan kapeaksi fokusoidulla elektronisuihkulla.
Yhteystieto: Matti.Leppihalme@vtt.fi
Tutkimushanke: Integrated Waveguide Bragg Gratings
Yhteistyössä: VTT Elektroniikan Mikroelektroniikkakeskus ja Joensuun Yliopiston Fysiikan laitos.
Tutkimusohjelma: Telectronics