2.3. Элементы интегральной оптики
Интегральной оптикой называется раздел оптоэлектроники. Он охватывает изучение оптических явлений, возникающих в тонких слоях прозрачных материалов, и разработку методов создания интегрально-оптических (ИО) элементов (ИОЭ) и устройств, в которых эти явления используются для генерации, преобразования и передачи световых сигналов. Оптические волны занимают на шкале электромагнитных волн диапазон, лежащий за ультракороткими миллиметровыми радиоволнами и простирающийся до наиболее короткого рентгеновского гамма-излучения – от 1 мм до 1 нм (видимое излучение – от 760 нм до 400 нм).
Методы интегральной оптики обеспечили возможность объединения (интеграции) миниатюрных оптических и оптоэлектронных элементов. Интегральная оптика как отдельное научно-техническое направление возникла в 70-х гг. 20-го века. Ее предназначение – создание сверхпроизводительных высокоскоростных систем передачи и обработки оптической информации. Интерес к интегральной оптике особенно возрос в последнее время в связи с быстрым развитием волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые характеризуются большой шириной полосы частот (в 104 раз превышающей полосу частот всего радиодиапазона). Это обеспечивает ВОЛС большие преимущества перед другими видами связи по числу каналов, помехозащищенности, дальности и скорости передачи.
Важнейшим ИОЭ является миниатюрный световод – ИО волновод (ИОВ). ИОВ представляет собой тонкий (порядка длины световой волны, обычно 0,1 – 10 мкм) световедущий слой, созданный либо на поверхности диэлектрической или полупроводниковой подложки, например, эпитаксиальным наращиванием или напылением (тонкоплёночный волновод, рис. 2.6, а), либо в её приповерхностном слое, например, локальной диффузией или ионным легированием (диффузионный волновод, рис. 2.6, б, в, г).
Световедущий слой ИОВ имеет больший показатель преломления (n2), чем подложка (n1) и окружающая среда (n3), что обуславливает возможность локализации оптического излучения в нём вследствие полного внутреннего отражения. Под показателем преломления некой среды понимается отношение
n
= c / v =
,
где c и v – скорости света в вакууме и в данной среде соответственно, ε и μ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды соответственно. Для неферромагнитных сред μ ≈ 1. Таким образом, для любой среды кроме вакуума n > 1. Показатель преломления n зависит от частоты света и состояния среды (ее плотности и температуры).
В зависимости от характера изменения показателя преломления n по сечению световедущего слоя различают ступенчатые (n изменяется скачкообразно) и градиентные (n изменяется плавно) ИОВ, по конструктивному исполнению – планарные и полосковые ИОВ. Полосковые ИОВ в отличие от планарных имеют ширину, величина которой соизмерима с их толщиной.
К числу ИОЭ кроме ИОВ относится целый ряд миниатюрных оптических и оптоэлектронных устройств, выполненных с применением групповой (интегральной) технологии. Обычно ИОЭ входят в состав ИО схем (ИОС), реже используются как самостоятельные (дискретные) устройства. Существуют различные типы ИОЭ, которые подразделяют на три основные группы: пассивные ИОЭ, ИОЭ управления излучением и ИОЭ преобразования энергии (электрической в световую и обратно).
В пассивных ИОЭ осуществляются преобразования в основном пространственных характеристик световых сигналов без увеличения их энергии и изменения спектрального состава излучения. К ним относятся устройства ввода и вывода излучения, линзы, ответвители, фильтры, преобразователи типов колебаний и др.
ИО устройства ввода и вывода излучения (рис. 2.7) обеспечивают согласование световых потоков при введении излучения в ИОВ и выведении его из ИОВ во внешнее пространство. К этим элементам относятся фазовые дифракционные решётки на планарных ИОВ (рис. 2.7, а), полосковые ИОВ с суживающимся краем (рис. 2.7, б) и так называемые рупорные ИОВ (рис. 2.7, в). Напомним, что дифракцией света называется огибание световыми волнами встреченных препятствий.
ИО линзы (рис. 2.8) фокусируют оптическое излучение, распространяющееся в планарном ИОВ. Наибольшее распространение получили ИО линзы трёх типов. Геодезические линзы (рис. 2.8, а) представляют собой углубления на поверхности волновода. Линзы Люнеберга (рис. 2.8, б) выполнены в виде эллиптической области с показателем преломления, большим, чем показатель преломления световедущего слоя планарного ИОВ. Линзы Френеля (рис. 2.8, в) состоят из дифракционных решёток с переменным шагом и фактически являются голографическим элементом связи.
ИО ответвители осуществляют разделение светового потока на несколько каналов. Они состоят из дифракционных решёток в планарных ИОВ или из канальных разветвляющихся полосковых ИОВ (рис. 2.9, а). Для спектральной (частотной) селекции оптического излучения, распространяющегося в ИОВ, служат ИО фильтры, состоящие из дифракционных решёток, кольцевых интерферометров и оптических резонаторов. ИО преобразователи типов колебаний изменяют пространственное распределение оптического излучения. Они содержат, как правило, ИОВ, выполненные на основе анизотропных материалов, либо ИОВ с изменяющимся по длине профилем распределения показателя преломления.
В ИОЭ управления излучением (модуляторах, переключателях, дефлекторах и др.) производится изменение амплитуды, фазы или направления распространения световых волн под действием управляющего напряжения, изменяющего показатель преломления световедущего слоя ИОВ за счёт электро-, акусто- или магнитооптических эффектов. Наиболее широко применяются ИО модуляторы амплитуды светового излучения типа интерферометров Маха – Цандера, изготовляемых из электрооптических материалов.
Основу таких модуляторов (рис. 2.9, б) составляет ИОВ, разветвляющийся на входе устройства на два канала, которые вновь объединяются в один на выходе. В каналах при подаче управляющих сигналов изменяются фазы световых волн, что при объединении световых потоков приводит (в результате интерференции) к изменению амплитуды световой волны в выходной части ИОВ.
В ИО переключателях осуществляется управляемое перераспределение оптического излучения между ИОВ. В переключателях на связанных ИОВ (рис. 2.9, в) переключение канала распространения происходит в результате увеличения (под действием управляющего напряжения) показателя преломления области связи между ИОВ. В переключателях на эффекте полного внутреннего отражения (рис. 2.9, г) при подаче напряжения на управляющие электроды, расположенные на поверхности подложки, между ними образуется область с уменьшенным показателем преломления. Излучение из ИОВ попадает на эту область и, в результате полного внутреннего отражения меняя направление своего распространения, переходит в другой ИОВ.
Интегральные акустооптические модуляторы (дефлекторы) (рис. 2.10) осуществляют изменение направления распространения световых волн в планарном ИОВ. Их функционирование основано на дифракции света на регулярных неоднородностях, создаваемых поверхностными акустическими волнами, которые возбуждаются радиосигналами с помощью системы встречно-штыревых электродов. В ИО преобразователях частоты, основу которых составляют ИОВ, выполненные из нелинейно-оптических материалов, используются главным образом эффекты смешения световых частот.
В ИОЭ преобразования энергии производятся генерация, усиление и детектирование оптических сигналов. Генерация оптического излучения осуществляется посредством рекомбинации электронно-дырочных пар в области p-n-перехода полупроводникового излучателя (чаще всего, инжекционного лазера), а также межуровневых переходов в некоторых типах кристаллов.
Оптическое усиление возникает при прохождении световых сигналов через ИОВ с инверсией населённостей энергетических уровней, для которой характерно наличие свободных состояний (дырок) в верхней части валентной зоны и заполненных электронами проводимости состояний в нижней части зоны проводимости. Такие ИОЭ называются полупроводниковыми квантовыми усилителями.
Для создания в них инверсии населенностей энергетических уровней необходима так называемая накачка, которая в ИОЭ чаще всего осуществляется путем пропускания через полупроводниковую структуру с p-n-переходом инжекционного тока. Обратное преобразование энергии (детектирование) осуществляется в фотоприёмнике на основе ИО фотодиодов (рис. 2.11), фоторезисторов или фототранзисторов, обычно непосредственно сопряжённых с ИОВ.
ИОЭ и ИОВ, как правило, входят в состав ИОС. ИОС – это ИС, в которой связь между элементами осуществляется с помощью световых сигналов. Различают монолитные и гибридные ИОС. Монолитные ИОС создают на одной подложке в едином технологическом цикле. Гибридные ИОС получают прецизионной сборкой отдельных ИОЭ. ИОС применяют в составе передающих и приемных модулей ВОЛС, в системах оптической обработки информации и в других радиоэлектронных системах в качестве оптических передающих и приёмных модулей, анализаторов спектра радиосигналов, логических устройств, АЦП, усилителей и регенераторов света и др.
Для создания ИОЭ и ИОС в основном применяют полупроводниковые материалы (чаще всего соединения типа АIIIВV и твёрдые растворы на их основе), материалы с ярко выраженными электро-, акусто- и магнитооптическими свойствами (LiNbO3, ТеО2 и др.), а также оптические материалы (кварц, стекло, отдельные полимеры), отличающиеся значительной прозрачностью в различных участках оптического диапазона и высокой однородностью.
В ИОЭ и ИОС по сравнению с обычными (дискретными) оптическими и оптоэлектронными устройствами значительно (на несколько порядков) снижена мощность, необходимая для электронного управления световыми потоками. Благодаря этому использование элементов и методов интегральной оптики значительно расширяет возможности таких устройств, обеспечивает их микроминиатюризацию, позволяет на принципиально новом уровне создавать ВОЛС, системы оптической обработки информации и др.