6. 3. Интегральная оптика.
Интегральная оптика – раздел современной оптики, изучающий процессы распространения и преобразования света в тонкоплёночных диэлектрических волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке оптических волноводных устройств. Длины волн, которые представляют интерес, лежат в диапазоне 0.1 – 10 мкм. Для излучения > 10 мкм применяются металлические СВЧ-волноводы. В диапазоне < 0.1 мкм в настоящее время отсутствуют подходящие источники излучения, а диэлектрические материалы, применяемые для волноводной техники, обладают большими потерями. Интегральная оптика – аналог интегральным электронным схемам; проводником является планарный волновод, активными элементами - светодиод, лазер, модулятор, приёмник излучения. Создаются «чипы» на одной подложке (кристалле). Если в электронных интегральных схемах применяется кремний, то в интегральной оптике возможно применения арсенида галлия, который успешно может быть использован для изготовления источника, волновода и приёмника излучения.
Основой интегральных оптических устройств являются планарные волноводы – тонкоплёночные и диффузионные. Планарные оптические волноводы, например плёнки, полоски, полосковые структуры, необходимы для построения распределённых оптических элементов, соединения элементов и субсистем между собой. Направляющие свойства оптических волокон основаны на явлении полного внутреннего отражения света. Такие волокна состоят из оптически прозрачного вещества, окружённого оптически менее плотным материалом. На подложку наносится тонкая плёнка, толщина которой равна приблизительно рабочей длине волны. Подбираются материалы, чтобы выполнялось следующее неравенство показателей преломления (рис. 38):
n2 > n3 > n1.
Диффузионные планарные волноводы не имеют чёткой границы между слоем и подложкой, они изготавливаются диффузией примеси в подложку.
Рис. 37. Структура трёхслойного планарного волновода.
При легировании материала подложки изменяется показатель преломления слоя, чем больше концентрация примеси, тем меньше показатель преломления. Локализация света в волноводе обусловлена полным внутренним отражением на граничных поверхностях. Обычно достаточно, чтобы показатели преломления слоёв отличались лишь на 10-2. Побираются такие сочетания n1, n2, n3, чтобы распространялась заданная мода. Чем меньше толщина планарного волновода, тем меньшее число мод будет распространяться в волноводе. Типичная толщина плёнки – 1 мкм.
Существует несколько элементов связи для ввода световых пучков в планарный волновод: поперечные элементы связи и продольные. При поперечных элементах связи лазерный луч падает непосредственно на перпендикулярную ему плоскость волновода (поперечное сечение) z = 0, (рис. 39). Такая система называется элементом «прямого типа». В данном случае преобразование энергии пучка в необходимую поверхностную волну достигается путём согласования поля пучка, падающего слева на границу z = 0, с полем поверхностной волны, распространяющейся вправо от этой границы. Кривая распределения амплитуды светового пучка похожа на гауссову форму распределения лазерного пучка. Следовательно, необходимое согласование полей можно осуществить при помощи соответствующего уменьшения ширины входящего лазерного пучка, например путём соответствующего подбора геометрии линз. Таким образом, эти элементы связи могут иметь эффективность почти 100%. Однако на практике поперечную схему элементов связи сложно осуществить, в первую очередь, из-за малой толщины волноводной плёнки.
Рис. 39. Поперечный метод преобразования светового пучка в
поверхностную волну.
К продольным элементам связи относятся призменные и решёточные элементы связи. Призменный элемент линии связи – введение светового пучка в планарную структуру с помощью призмы, которая обладает более высоким показателем преломления, чем материал волновода (рис. 40).
Рис. 40. Призменный элемент связи, h-воздушный зазор.
Призма помещается над плёнкой на расстоянии h менее длины волны света. Световая волна на нижней грани призмы связи испытывает полное внутреннее отражение. При этом за пределами нижней грани существует затухающее поле (неоднородная волна), которое распространяется в воздушном зазоре на глубину порядка длины волны. При зазоре, меньшем длины волны это поле перекачивается в волновод. При постоянной толщине воздушного зазора в плёнку можно ввести до 80% лазерного излучения. Однако получение такого зазора достаточно сложно. Условие максимальной связи состоит в том, чтобы правый край светового пучка точно пересекал угол призмы. В случае волноводов из арсенида галлия, который имеет высокий показатель преломления, необходимо, чтобы призмы обладали очень высокими показателями преломления, что не всегда легко обеспечить.
Для ввода светового пучка в тонкие плёнки применяются диэлектрические (голографические) решётки – решёточные элементы связи (рис. 41).
Рис. 41. Решёточный элемент связи. d-период решётки.
Решётка изготавливается в виде плёнки фоторезиста, который экспонируется интерференционной картиной от двух противоположно бегущих волн, полученных путём деления и последующего объединения лазерного пуча. Решёточный элемент ввода работает аналогично призменному элементу ввода, за исключением того, что призма и воздушный зазор заменены решёткой. Связь основана на дифракции света на решётке и на существовании определённых мод в волноводе. Как и в случае призменного элемента связи, наиболее эффективная связь между падающим пучком с однородным распределением интенсивности и поверхностной волной достигается, если граница пучка точно пересекает край решётки. Основной недостаток решёточного элемента связи состоит в том, что значительная часть падающей энергии много раз проходит через плёнку, а затем теряется в подложке, поскольку в отличие от призменного элемента связи решёточный элемент не может работать в режиме полного отражения. Эффективность этой связи может достигать почти 100%, если соответственно рассчитать толщину и форму профиля решётки (в этом случае за решеткой наблюдается неоднородная световая волна).
В интегрально-оптическом исполнении могут быть и пассивные оптические элементы – линзы, призмы. При создании этих элементов локальное изменение показателя преломления, а, следовательно, и хода световых лучей достигается локальным изменением толщины элемента. Для введения в световую волну информации в интегральной оптике применяются оптические модуляторы, которые изменяют интенсивность (амплитуду), фазу, состояние поляризации или частоту световых колебаний. Для модуляции световой волны можно использовать акусто-, электро- или магнитооптический эффекты.