4.4. Перетворювачі мод

Перетворення енергії, наприклад, з поля ТЕ-моди в поле ТM-моди, можна реалізувати шляхом введення на деякому відрізку оптичного хвилеводу анізотропних матеріалів. Перетворення мод проходить тому, що у тій секції хвилеводу, де знаходяться анізотропні матеріали, не можуть існувати тільки ТЕ- або ТM-моди, а лише їх комбінації, тобто гібридні моди, які мають поздовжні складові EZ і HZ. Таким чином, якщо на таку анізотропну секцію падає ТЕ-мода, то її поле перетворюється в гібридну моду, яка при поширені по даній секції хвилеводу неперервно змінює відношення двох її ТЕ- і ТM-складових. Якщо розміри хвилеводу і довжина анізотропної секції підібрані відповідним чином, то можна отримати вихідне поле, яке буде повністю ТM-типу.

На рис.17 представлена схема перетворювача мод з кварцевою пластинкою накладеною на тонкоплівковий хвилевід. За рахунок прикладаня тиску на кварцеву пластинку досягається оптичний контакт між пластинкою і хвилеводом. Завдяки анізотропній природі кварцу проходить сильне перетворення ТЕ- і ТM-мод. Ефективність перетворення мод з допомогою такої схеми досягає 60%.

Рис.17. Схема перетворювача мод з кварцевою пластинкою, яка накладена на тонкоплівковий хвилевід

5.1. Матеріали для планарних хвилеводів

Вибір матеріалу для підкладки, на якій буде виготовлятись оптична інтегральна схема, дуже сильно залежить від функцій, які вона буде виконувати. У більшості випадків ОІС може містити декілька різних оптичних елементів, нар., джерело випромінювання, модулятори і детектори, і жоден з матеріалів для підкладки не буде оптимальним для їх виготовлення. Тому, завжди необхідно шукати компромісне рішення. Перший етап завжди полягає у тому, щоб вирішити, який підхід використовувати при виготовленні ОІС – гібридний чи монолітний. При гібридному підході використовуються два або більше матеріалів для виготовлення окремих частин інтегральної схеми, які пізніше яким-небудь чином об’єднуються разом в одне ціле. Отримані у такий спосіб інтегральні схеми називаються гібридними ОІС. Якщо вибраний монолітний підхід, то для виготовлення всіх елементів інтегральної схеми використовується один матеріал, а отримана схема називається монолітною ОІС. Оскільки більшість ОІС потребують використання джерела світла, то монолітні мікросхеми можна виготовляти тільки з оптично активних матеріалів, наприклад з напівпровідникових матеріалів. Пасивні матеріали, такі як кварц або ніобат літію, також можна використовувати в якості матеріалу для підкладки, але із зовнішнім джерелом світла (н/п лазером), яке повинно яким-небудь чином оптично і механічно бути з’єднаним з підкладкою.

Пасивні (не генерують світло)

Кварц

Ніобат літію

Танталат літію

П’ятиокисел танталу

П’ятиокисел ніобію

Кремній

Активні (генерують світло)

Арсенід галію

Галій – алюміній – арсенід

Фосфід – арсенід галію

Індій – галій – арсенід

Інші н/п матеріали III–V і II–VI груп з прямою забороненою зоною

Основною перевагою гібридного підходу є те, що ОІС можна виготовляти з використанням існуючих технологій, які є оптимізовані для кожного окремого матеріалу. Однак, цей метод має недолік, який полягає в тому, що місця стику різних елементів схеми можуть приводити до неузгодження і навіть до її відмови через вібрації і теплові деформації. Крім того, виготовлення монолітних ОІС при масовому виробництві є дешевшим.

Більшість монолітних ОІС можна виготовляти тільки на активних підкладках, на яких можна здійснити генерацію світла. Цей факт значно обмежує вибір матеріалів напівпровідниками. Для таких цілей особливо підходять трьохкомпонентні сполуки елементів III–V або II–VI груп, оскільки величина забороненої зони таких матеріалів при зміні відносної концентрації трьох елементів може змінюватись у достатньо широких межах. Ця особливість є дуже важливою при виготовленні монолітних ОІС. Н/п джерело світла випромінює на довжині хвилі, яка відповідає ширині забороненої зони. Крім того, напівпровідники дуже сильно поглинають світло з довжиною хвилі, яка менша або рівна довжині хвилі, яка відповідає енергії забороненої зони. Таким чином, якщо джерело світла, хвилевід і детектор виготовляються на підкладці з одного і того ж матеріалу, наприклад GaAs, то випромінювання від джерела буде сильно поглинатись у хвилеводі, але слабо у детекторі. Використовуючи трьохкомпонентні сполуки, можна таким чином підібрати їх склад, що вплив таких ефектів буде суттєво зменшений.

На даний час у більшості монолітних ОІС використовується сполука галій – алюміній – арсенід Ga(1-x)AlxAs. Цей матеріал прозорий в спектральній області від 0,6 мкм до 12 мкм. Шляхом зміни концентрації атомів алюмінію в межах (x=0…1) можна змінювати ширину забороненої зони, а, отже, і довжину хвилі випромінювання джерела світла від 0,91 мкм для GaAs до 0,65 мкм для AlAs. Цей матеріал характеризується відносно великими значеннями електрооптичних та акустооптичних коефіцієнтів, що робить його придатним для виготовлення оптичних перемикачів і модуляторів. Широке використання GaAlAs привело до суттєвого зниження його вартості. Крім того, технологія виготовлення GaAlAs та елементів на його основі вже достатньо добре опрацьована по відношенню з технологією виготовлення інших трьохкомпонентних сполук III–V груп. На основі GaAlAs виготовлено багато елементів оптичних інтегральних схем таких як лазери, детектори, елементи зв’язку, перемикачі, модулятори, хвилеводні фільтри, підсилювачі, лінзи, акустичні перетворювачі, поляризатори, рефлектори, дифракційні гратки, пристрої із зарядовим зв’язком та ін.

Єдиним недоліком монолітних ОІС на даний час є мала ступінь інтеграції (мале число елементів на одній підкладці). Це пов’язано з тим, що основна увага з самого початку була зосереджена у різних напрямках на розробці і вдосконаленні технологій виготовлення елементів окремо, а не разом на одній підкладці. Якщо число елементів інтегральної схеми невелике і до неї не пред’являються високі вимоги, то немає потреби у використанні монолітного підходу. У такому випадку ефективнішим буде використання гібридного підходу, при якому кожен елемент схеми виготовляється окремо, а потім всі елементи об’єднують разом на одній підкладці. Планарні оптичні хвилеводи для такої ОІС можна виготовляти вже з використанням прозоріших діелектричних матеріалів, що дозволяє тим самим усунути недоліки притаманні напівпровідниковим хвилеводам.