5.2 Оптические световоды (волноводы)

Для оптической связи между различными оптоэлектронными приборами и устройствами, например, между источниками и приемниками оптического излучения необходимы световоды - закрытые устройства для направленной передачи оптического пучка. В отличие от распространения пучка в открытом пространстве, переход к световодам позволяет значительно уменьшить потери энергии, особенно при ее передаче на большие расстояния, а также передавать оптическую энергию по криволинейным трассам. Поскольку при передаче оптического пучка, как правило, используется волноводный характер распространения, то световоды получили другое более конкретное название – оптические волноводы.

Понятие волновод перешло в оптику из техники радиоволн СВЧ диапазона и основано на явлении полного внутреннего отражения волн от границ раздела двух сред и локализации энергии волны внутри волновода.

Для оптической связи на сверхмалых расстояниях (в пределах одного оптоэлектронного чипа) в основном используются плоские (планарные) волноводы, сформированные в подложке или на поверхности интегральной схемы. Для оптической связи на больших и сверхбольших расстояниях (от метров до тысяч км) используются цилиндрические волоконные световоды – гибкие диэлектрические волноводы на основе кварцевого стекла.

Механизм канализации энергии оптического пучка в волноводах основан на явлении полного внутреннего отражения. Полное внутреннее отражение возникает при падении светового луча на границу раздела двух прозрачных сред с показателями преломления n₁ и n₂ из среды с большим показателем преломления (n₁ > n₂). Величина критического угла, выше которого (φ₀ > φ_кр) возникает полное внутреннее отражение, определяется следующим соотношением

(5.1)

Разделяют пассивные и активные оптические световоды. В пассивных световодах происходит только распространение оптических пучков без изменения их характеристик. В активных световодах возможны изменения параметров оптического пучка за счет изменения характеристик самого световода. К наиболее важным функциям, выполняемым в активных световодах, относится генерация и перестройка частоты лазерного излучения (лазеры), модуляция, генерация высших гармоник и другие функциональные преобразования оптического пучка.

5.3 Плоские световоды.

Обычно световод реализуется между подложкой и покровным материалом. Такая структура представлена на рис. 5.1 и характеризуется показателем преломления канала , подложки , покровного материала . Необходимо, чтобы выполнялось соотношение

(5.2)

Существуют два критических угла, благодаря которым свет может каналироваться: угол полного внутреннего отражения на границе раздела "канал – подложка" и угол полного внутреннего отражения на границе "канал – покровный слой". В противном случае имеют место потери света в подложке и покровном материале, который пронизывает канал и выходит через покровный материал (рис. 5.1, а). Такая электромагнитная мода называется излучательной.

а)

б)

в)

Рис. 5.1. Распространение волн в плоском волноводе: а — излучательные моды; б— излучательные моды подложки; в— волноводные моды

Если увеличить угол падения света так, чтобы выполнялось соотношение

(5.3)

то распространяющийся свет отражается от границы с покровным материалом и преломляется обратно в подложку, и в этом случае говорят об излучательной моде подложки и речь не идет о волноводном распространении света (рис. 5.1, б).

Если увеличить угол φ так, чтобы выполнялось условие полного внутреннего отражения от подложки, то наблюдается полное внутреннее отражение как от границы раздела "канал – подложка", так и от границы раздела "канал – покровный материал". Теперь световая волна, попавшая в канал, будет распространяться в нем по зигзагообразному пути. Эта волна называется волноводной модой (рис. 5.1, в). Волны света испытыва­ют полное внутреннее отражение на границах канала.

Волны монохроматичны и когерентны, их угловая частота равна , длина волны λ, а волновой вектор в направлении нормали к волновой поверхности равен k∙n_k, так что

(5.4)

где с — скорость света в вакууме. Постоянная распространения β для волновой моды в плоском волноводе определяется выражением:

(5.5)

гдеV_ф — фазовая скорость. Значение β лежит в пределах kn_n < β < kn_k

Введем понятие эффективного волноводного показателя преломления как величину ,значение которого лежит в пределах

(5.6)

На рис. 5.2 представлены различные режимы распространения мод в волноводном канале и соответствующее распределение полей мод Е(х).

Рис. 5.2. Распространение полей мод при различной постоянной распространения β

При распространение моды имеет экспоненциальный характер. Такой тип колебаний не имеет практического применения, и поле неограниченно растет в подложке и в покровном слое (рис. 5.2, а). При условии мода имеет поля, представленные на рис. 5.2, б, е. Это гармоническая колебательная функция с максимумом распространения по оси канала или с образованием в поперечном сечении волновода стоячей волны. Это волноводные моды.

Излучательная мода подложки реализуется при условии . Они могут сущест­вовать в волноводной структуре, однако быстро затухают из-за перекачки из канала в подложку.

Если постоянная распространения лежит в интервале , то мода колебаний характерна для всех областей (рис. 5.2, д). Это соответствует излучательным воздушным модам, которые быстро затухают и поэтому не находят практического использования.

Для выполнения пассивных функций используются волноводы на стеклянных подложках - это просто и экономично. Одним из методов получения волноводных структур является легирование стекла путем ионного обмена в электрическом поле между ионами стекла и ионами легирующей примеси. Таким способом создаются волноводные структуры различной конфигурации. Возможно использование методов ионной имплантации. Этим методом удается получить изменение коэффициента преломления на 10 — 15% и снизить оптические потери до 0,1 дБ/см. Для пассивных волноводных структур также используются тонкие полимерные пленки.

Активные волноводные структуры формируются на основе активных диэлектриков, например, кристаллов ниобата лития, танталата лития. Оптическими свойствами активных диэлектриков и соответствующих волноводных структур можно управлять с помощью внешних электромагнитных полей. Волноводные каналы в активных диэлектриках формируются с помощью процессов диффузии ионов, имплантации, эпитаксии. Например, широко распространена структура волновода на основе легирования титаном ниобата лития Ti : LiNbO₃.

К активным волноводам относятся также структуры, полученные на полупроводниковой основе, например, на соединениях типа А³В⁵, А²В⁴. Необходимый перепад показателя преломления в таких структурах достигается за счет многослойных структур с плавным или ступенчатым изменением состава при переходе от слоя к слою.

При создании активных сред, необходимых для генерации лазерного излучения, волоконные световоды из кварцевого стекла легируются либо ионами эрбия, либо ионами висмута. На основе таких легированных световодов уже созданы лазеры инфракрасного диапазона излучения для волоконных линий связи.

В качестве плоских световодов в последнее время стали использовать слои SiGe, внедренные в кремниевую подложку. Такие световоды перспективны для оптических связей в компьютерах нового поколения.

Методы ввода и вывода оптического пучка в световоды являются важным вопросом для согласования обычных мод лазерного пучка и волноводных мод световодов. Различают поперечные и продольные элементы связи. В поперечных элементах связи пучок фокусируется на открытое поперечное сечение волновода. В эту категорию входят эле­менты связи прямого действия.

На рис. 5.3 приведена возможная схема ввода излучения в волновод и преобразования светового пучка в поверхностную волну. Преобразование энергии пучка в поверхностную волну происходит путем согласования электромагнитного пучка с полем поверхностной волны. Распределение интенсивности по сечению волновода соответствует моде ТЕ₀. При этом способе очевидны потери оптической энергии на границах планарного волновода. Поэтому поперечная схема элементов связи не нашла широкого применения.

Рис. 5.3. Схема поперечного элемента связи

θ

Рис. 5.4. Схема призменного элемента связи

В продольных элементах связи пучок падает наклонно по отношению к световоду. К этим элементам связи относят, прежде всего, призмы и решетчатые элементы. В случае использования призменного элемента для ввода излучения пучок света падает на призму, показатель преломления которой n_p (рис. 5.4). Угол падения выбирается таким, чтобы он удовлетворял условию полного отражения:

(5.7)

Одновременно угол падения должен удовлетворять условию согласования фаз:

(5.8)

где k_p - волновой вектор, β_n - постоянная распространения поверхностной волны, L — длина связи призмы и световода.

Полный обмен энергией может быть осуществлен при реализации условия

(5.9)

где ξ — коэффициент связи между излучательной модой и модой поверхностной волны.

Если высота воздушного промежутка h₀ достаточно высока, то между модами света в призме и волновода существует слабая связь. При незначительных размерах промежутка h₀ энергия пучка призмы передается в канал благодаря эффекту оптического туннелирования света. Этот эффект вызван нарушением полного внутреннего отражения. При этом должно выполняться условие согласования фаз между модами призмы и канала. Перекачка энергии из излучательной моды, совпадающей с полем пучка, может происходить при условии

(5.10)

где w — ширина (апертура) пучка падающего излучения.

Вследствие свойства обратимости оптических пучков излучение можно вывести из волновода через призму. Таким образом, призменный элемент связи позволяет осуществлять преобразования пучок света —» поверхностная волна и поверхностная волна —» пучок света.

Недостатком призменных элементов связи является требование высокого значения показателя преломления n_n > n_p материала призмы. Например, для волноводов из GaAs, имеющих достаточно высокий показатель преломления, трудно подобрать призму с еще более высоким показателем преломления.

Другая трудность заключается в настройке воздушного зазора h₀ толщина которого обычно меньше половины длины световой волны. К тому же в зазоре возможно скопление частиц пыли, что резко увеличивает потери световой энергии.

Решеточный элемент связи работает аналогично призменному элементу. Однако в этом случае отсутствует воздушный зазор. Решеточный элемент связи обладает периодической структурой. При падении оптического пучка на подобные решетки происходит его трансформация подобно тому, как это наблюдается на дифракционных решетках (рис. 5.5).

При взаимодействии волны с решеткой возникают ее гармоники, локализированные в области решетки. Продольные постоянные распространения этих гармоник равны:

(5.11)

где n - индекс, 0, ± 1, ± 2; - постоянная распространения поверхностной волны, , где - длина волны падающего излучения; d - период решетки.

Благодаря отрицательным значениям n, возможны значения , при которых будет удовлетворяться уровень согласования фаз , что выполняется при соответствующих значениях , d, λ, θ.

Поле поверхностей волны состоит из гармоник и, следовательно, энергия, передаваемая пучком одной из гармоник, связана с энергией основной гармоники. Эта гармоника распространя­ется в канале и превращается в поверхностную волну.

Решетка может быть изготовлена в виде пленки фоторезиста, предварительно экспонированной интерференционной картиной волн. В зависимости от фоторезиста и способов его обработки решетка может иметь синусоидальную, трапецеидальную или треугольную формы.

Основной недостаток решетчатого элемента связи состоит в том, что значительная часть световой волны гасится в подложке вследствие многократного прохождения через решетку. Это ограничивает эффективность связи, которая меньше, чем у призменных элементов связи.

Рис. 5.5 Схема решетчатого элемента связи