Интегральная оптика. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Интегральная оптика - раздел совр. оптики, изучающий процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкоплёночных диэлектрич. волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке (интеграция) оптич. и оптоэлектронных волноводных устройств (лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей и т. д.).

Рис. 1. Типы диэлектрических оптических микроволноводов: а - тонкоплёночный; б - диффузный; в - канальный.

Типы диэлектрических микроволноводов. Основой интегральных оптич. устройств являются пленарные волноводы (тонкоплёночные и диффузные). Тонкоплёночные волноводы формируются в виде однородной диэлектрич. плёнки толщиной h порядка длины световой волны l, нанесённой на однородную диэлектрич. подложку с более низким показателем преломления (рис. 1,а). Диффузные (или градиентные) волноводы отличаются плавным распределением показателя преломления по сечению (рис. 1,б). В этих волноводах нет чётко выраженной границы между волноводным слоем и подложкой. Изготавливаются они обычно диффузией к--л. примесей в подложку. Для передачи излучения по заданной траектории и связи между отд. элементами И. о. применяются также канальные (или полосковые) волноводы, ширина к-рых соизмерима с их толщиной (рис. 1, в). Локализация света в волноводе обусловлена полным внутренним отражением на граничных поверхностях, поэтому для осуществления волноводного режима необходимо, чтобы показатель преломления плёнки n₀был больше показателей преломления подложки n₁и среды над волноводом n₂. Энергия в волноводе распространяется в виде волноводиых мод, характеризующихся определ. распределением эл--магн. поля по поперечному сечению и собственными значениями волнового вектора k=2pn*/l. Параметр n*=n₀sinq (q - угол падения луча на отражающую среду), определяющий фазовую скорость оптич. поверхностной волны, играет роль эфф. показателя преломления для данной волны. В диэлектрическом волноводе с заданными параметрами n₀, n₁ n₂ и h существует конечное число волноводных мод, определяемое дискретным рядом значений

(m=1, 2, ..., М). Чем выше порядок т поверхностной волны, тем меньше её эфф. показатель преломления и сильнее проникновение её за пределы тонкой плёнки в подложку. В тонкоплёночных волноводах определяющую роль играет волноводная дисперсия, т. е. зависимость n* от относительной толщины плёнки kh. С уменьшением относительной толщины плёнки уменьшается n*, приближаясь к своему ниж. пределу n₁ (обычно полагают, что n₂[n₁). Соответственно этому пределу существует критич. толщина плёнки (или критич. длина волны света, критич. частота w) для поверхностной волны m-ro порядка. С увеличением m на единицу критич. толщина возрастает на

. Используя плёнку соответствующей толщины, можно ограничить число волноводных мод диэлектрич. волновода желательным образом. При значениях h (или w) меньше критического волноводный режим отсутствует. Пленарные линзы и призмы. Зависимость эфф. показателя преломления от толщины плёнки позволяет воздействовать на оптич. характеристики пленарных волноводов и создавать интегрально-оптич. элементы преобразования светового потока (линзы, призмы) простым уменьшением или увеличением толщины волноводного слоя. Преломление лучей может происходить за счёт увеличения (или уменьшения) показателя преломления по сечению волновода к центру или к краям. В И. о. применяются также т.н. геодезические линзы, к-рые работают за счёт прогиба волноводной плёнки в вертикальной плоскости. Траектория сфокусированных лучей в этой линзе совпадает с кратчайшими геодезич. линиями изогнутой поверхности. Методы ввода и вывода излучения из оптических микроволноводов. Важным вопросом И. о. является преобразование лазерного пучка в волноводные моды (ввод излучения в волновод) и наоборот (вывод его). Вводить в волновод излучение лазера можно, фокусируя его на торец или стыкуя непосредственно источник света (лазер, оптич. волокно) с волноводом. При этом эффективность ввода зависит от степени согласования возбуждающего излучения с волноводной модой. Вывод излучения можно осуществлять через суживающийся край волноводпого слоя (рис. 2). Если толщина волновода плавно уменьшается, то уменьшается и угол падения луча на отражающие стенки волновода, и когда он становится меньше критического, то оптическая волна будет излучаться в подложку под углом j=arccos(n₀sinq/n₁). Поле волноводной моды будет соответственно затухать вдоль волновода. Возбуждение пленарных волноводов можно осуществлять также через их поверхность туннельным и дифракц. методом.

Рис. 2. Вывод излучения через суживающийся край волновода.

При этом создаваемое на поверхности волновода поле должно быть согласовано по поляризации и синхронизовано по фазе с возбуждаемой волноводной модой, т. е. должно иметь определённую и приблизительно равную

составляющую волнового вектора вдоль волновода. Такой фазовый синхронизм осуществляется, напр., при туннельном вводе, когда поле проникает в волновод при полном внутр. отражении от основания призмы, изготовленной из более плотного диэлектрич. материала (

) и помещённой над поверхностью волновода на расстоянии d порядка длины волны света (рис. 3). При этом слой между призмой и волноводом имеет показатель преломления

. Подбирая соответствующий угол падения вводимого луча q₃ на основание призмы и выполнив условие n₃sin

, можно добиться его фазового согласования с одной из волноводных мод. Осуществляя таким способом туннельную связь на нек-ром участке волновода, вводят в него большую часть энергии падающей волны. Т. к. с накоплением световой энергии в возбуждаемой поверхностной волне усиливается её переизлучение обратно в призму, то существует оптимальная длина связи,

Рис. 3. Туннельный (призменный) ввод и вывод излучения из микроволновода.

зи, отвечающая наиб, эффективному туннельному вводу излучения и зависящая от расстояния d между призмой и волноводом. Туннельный вывод осуществляется обычно при слабой связи, т. е. слабом проникновении поля поверхностной волны в выводную призму. Эти условия обеспечиваются при таком удалении призмы от оптич. волновода, что ехр (

)Ъ1. Поддерживая слабую связь на участке, во много раз превышающем l и практически достаточном для полного излучения поверхностной волны из волновода, получают на выходе из призмы широкий световой пучок с малой дифракционной расходимостью. Этот вывод излучения из волновода наз. также призменным. При дифракционном вводе и выводе излучения из оптич. микроволновода используются фазовые дифракц. решётки на поверхности волновода или внутри его, к-рые или создаются периодич. модуляцией показателя преломления в волноводной плёнке или представляют собой участки волновода с гофрированной поверхностью или подложкой. Задавая период дифракц. решётки L и подбирая угол падения возбуждающей волны, добиваются её связи с волноводной модой и осуществляют эфф. дифракц. вывод излучения из волновода (или ввод).

Рис. 4. Дифракционный (решёточный) вывод излучения из микроволновода.

При прохождении гофрированного участка волна

распадается на синусоидальной границе в суперпозицию плоских волн, имеющих проекции волноводных векторов на ось х, равные k(n*+mN), где т=0, b1, b2, ..., a N=l/L. При рассмотрении процессов излучения на слабогофрированном участке волновода можно пренебречь волнами с |m|>1. В зависимости от величины проекции волнового вектора дифракц. волны на ось х существуют разл. варианты излучения из волновода (рис. 4). Если проекция волнового вектора такова, что |n*-N|<n₂, то излучение происходит одновременно вверх и в ниж. среду, а если n₁>|n*-N|>n₂, излучение происходит только вниз - в подложку, причём угол распространения дифрагированной волны в среде с n₁ определяется выражением

Интегрально-оптические элементы. Частотные фильтры, модуляторы света ,направленные ответвители, дефлекторы и т.п. позволяют осуществлять разл. действия над распространяющимися в волноводе волнами: их канализацию, модуляцию и отклонение, излучение в пространство, генерацию (см. Гетеролазер)и т. п. Действия эти основаны на резонансном взаимном преобразовании волноводных мод в волноводе с периодически промодулированной оптич. толщиной (т. е. при наличии фазовой дифракц. решётки) или в системе двух (и более) параллельно и близко расположенных (т. е. туннельно связанных) регулярных волноводов. Плавно изменяя параметры оптич. связи вдоль волновода (расстояние d или глубину модуляции на гофрированном участке), можно существенно изменить распределение интенсивности в выходящем из волновода пучке. Широко используемые в И. о. волноводные решётчатые структуры могут осуществлять не только дифракц. ввод и вывод излучения, но и преобразование мод, выполнять функции отражателей, частотных фильтров и т. п. Если в гофрированном многомодовом волноводе для двух мод с номерами m и m₁ на периоде решётки укладывается целое число М полупериодов биений, т. е. выполняется условие

, то между этими модами возникает сфазированная связь, приводящая к интенсивной взаимной перекачке мощности излучения одной моды в другую. Т. е. участок такого волновода может служить преобразователем волноводных мод. Волноводные решёточные структуры используются также в качестве отражателей. Если поверхностная оптич.

Рис. 5. Брэгговское отражение волны от периодической структуры.

волна падает на участок гофрированного волновода под брэгговским углом к её штрихам (см. Брэгга - Вулъфа условие), так что выполняется условие sinq_Б=l/2Ln*, то указанная решётка отражает падающую волну под углом q_Б (рис. 5), если длина её

В случае нормального падения на решётку, когда q_Б=p/2, брэгговское отражение происходит при условии, что период гофра L равен целому числу волноводных полуволн:

. Т. о., для решётки с определ. параметрами (L, L) брэгговское отражение происходит лишь для определ. длин волн (частот), т. е. имеет избират. характер. Ширина полосы частот Dw, в пределах к-рой наблюдается резонансное брэгговское отражение, характеризуется выражением:

, где Dh- амплитуда гофра. Гофрированная периодическая структура может служить оптич. частотным фильтром с центром на брэгговских частотах, относит, полоса пропускания к-рого пропорц. отношению (L/L). Совр. технология позволяет получать планарные частотные фильтры с полосой пропускания менее 0,01 нм. Активные элементы И. о. Модуляторы, переключатели, сканеры используются

Рис. 6. Брэгговская дифракция поверхностной световой волны в плоскости волновода на решётке, возбуждаемой акустической волной (а) или электрическим полем, в системе встречно-штыревых электродов (б).

для управления параметрами лазерной волноводной моды (её амплитудой, фазой, поляризацией) и для её пространственного разделения (переключения) - дискретного или непрерывного. Принцип работы этих активных устройств основан на изменении показателя преломления материала микроволновода под действием электрич. или магн. поля или упругой деформации. Наиб, распространение в И. о. получили электрооптич. и акустооптич. устройства управления светом, в основу к-рых положена брэгговская дифракция на фазовых решётках, индуцируемых электрич. полем или акустич. поверхностными волнами (рис. 6). Встречно-штыревая структура электродов, изготовленная на поверхности волновода, обладающего электрооптич. свойствами (см. Поккелъса эффект), индуцирует фазовую решётку вида

, где L - период наведённой решётки, Dn - макс, изменение показателя преломления, z(x) - функция распределения изменения индуцированного показателя преломления по глубине. Действие электрич. поля Е на волновод длиной L приводит к сдвигу фазы на

у проходящей волноводной моды и модуляции её амплитуды пропорц. Е (здесь

- амплитуда изменения эфф. показателя преломления

~n³_mrE/2, r - электрооптич. коэф.). Глубина модуляции излучения, прошедшего в первый максимум при брэгговской дифракции, зависит от фазового сдвига Dj, наведённого электрич. полем, пропорц. sin²(Dj/2). В акустооптич. модуляторах дифракция оптич. поверхностных волн осуществляется на фазовой решётке, создаваемой акустич. поверхностными волнами, возбуждаемыми перем. напряжением, приложенным к встречно-штыревому преобразователю. Ширина полосы частот Df, в пределах к-рой эффективно возбуждаются акустич. волны, обратно пропорц. длине встречно-штыревого преобразователя. Меняя частоту акустич. волн в пределах, ещё допускающих брэгговское отражение (от f₁ до f₂), можно менять угол отклонения светового луча в пределах

, где v_a - скорость перемещения периодич. неоднородностей показателя преломления, возбуждаемых акустич. волной. Этот принцип положен в основу создания широкополосных акустооптич. дефлекторов. Вследствие Доплера эффекта частота света, дифрагируемого на акустич. решётке, смещается на величину, равную или кратную частоте акустич. волн. Это явление применяется для частотной модуляции света. Канальные волноводы используются в разл. функциональных узлах И. о., применяемых в качестве оконечных устройств волоконно-оптич. линий связи. Широко распространены управляемые направленные ответвители и модуляторы типа интерферометра Маха - Цендера (см. Интерферометр Рождественского). Оптич. направленный ответвителъ формируется из двух идентичных канальных волноводов, туннельно связанных, т. е. расположенных достаточно близко друг к другу, так что световая энергия перекачивается из одного в другой (рис. 7). Длина связи L, на к-рой осуществляется полная перекачка, определяется как L=2p/(, где

коэф. связи, зависящий от степени перекрытия полей связанных мод y₁ и y₂ с профилем волноводов Dn. Обычно, когда волноводы идентичны, фазовый сдвиг Dj=0. Однако, если к волноводам из электрооптич. материала приложить напряжение V, индуцирующее фазовую расстройку, то это напряжение будет менять распределение световых потоков, распространяющихся в связанных волноводах. Так осуществляется амплитудная модуляция света. Активные устройства на связанных волноводах могут использоваться также в качестве оптич. переключателей. Принцип действия электрооптич. модулятора типа интерферометра Маха - Цендера (рис. 8) состоит в следующем. Распространяющиеся по двум идентичным плечам интерферометра моды в зависимости от величины прикладываемого к электродам напряжения V могут интерферировать в месте соединения волноводов в фазе или в противофазе. В первом случае в месте соединения будет возбуждаться распространяющаяся к выходу модулятора осн. мода, в другом случае - нечётная мода второго порядка, к-рая будет излучаться из волноводов в области их соединения. Относит. изменение интенсивности излучения на выходе интерферометрич. модулятора определяется соотношением

где Dj₀ - разность фаз интерферирующих волн в отсутствие напряжения на электродах, Dj - индуцированная электрич. полем фазовая расстройка. Спец.

Рис. 7. Направленный ответвитель на основе туннельно связанных канальных волноводов.

Рис. 8. Электрооптический модулятор типа интерферометра Маха-Цендера. структура электродов даёт возможность эффективно модулировать свет независимо от его поляризации, а режим бегущей волны позволяет расширить частотную полосу модулятора до /2.10¹⁰ Гц. Это устройство используют для получения быстродействующих аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, датчиков эл--магн. поля, температуры и т. д. При сравнении объёмных и интегрально-оптич. модуляторов и дефлекторов оказывается, что потребляемая мощность, пропорц. объёму активной среды, у планарных на два-три порядка меньше, чем у объёмных. Нелинейные оптические явления в оптич. микроволноводах возникают при больших значениях напряжённости электрич. поля даже при сравнительно небольшой мощности возбуждения. Т. к. толщина волноводной плёнки очень мала (~l,), то плотность световой энергии в оптич. микроволноводе достигает 10⁵-10⁶ Вт/см² по всей длине взаимодействия даже от сравнительно маломощных газовых лазеров (~10^-1-10^-2 Вт). В оптич. волноводах возможен фазовый синхронизм взаимодействующих мод также за счёт волноводной дисперсии. В объёмной оптике необходимый для эфф. нелинейного взаимодействия фазовый синхронизм волн разл. частот достигается лишь за счёт двойного лучепреломления в кристаллах. В оптич. микроволноводах синхронизм может быть обеспечен для разных мод одной поляризации. Это позволяет использовать для нелинейных взаимодействий изотропные среды, обладающие большой нелинейной восприимчивостью. Кроме фазового синхронизма необходимым условием эфф. нелинейного преобразования в оптич. микроволноводах является достаточная величина интеграла перекрытия полей взаимодействующих мод. Для нелинейных преобразований широко применяются титан-диффузные волноводы в ниобате лития, в к-рых наблюдались эфф. удвоение частоты, параметрич. генерация, суммарные гармоники и т. д. Широко используется в И. о. генерация второй гармоники (см. Взаимодействие световых волн)для перевода ИК-излучения гетеролазера в видимое излучение. Процесс генерации второй гармоники можно представить как связь двух волноводных мод равных частот w и значений волновых векторов k_w с одной из мод частоты 2_w и значением волнового вектора k_w. Условия синхронизма имеют вид:

или с учётом того l₂_w=l_w/2,

т. е. n_w=n₂_w. Этого равенства можно добиться, если увеличение эфф. показателя преломления моды m, к-рое возникает на частоте 2w вследствие волноводной дисперсии, компенсировать, сменив порядок моды или её тип (показатель преломления уменьшается с увеличенном порядка моды). Необходимость выполнения условия n_w=n₂_w накладывает очень строгие ограничения на допустимые отклонения толщины волновода от оптимальной для условий синхронизма. Напр., для плёнки ZnS толщиной 0,314 мкм, выращенной на подложке ZnO, отклонение Dh составляет всего ~0,006 мкм (2%). Технология И. о. Наиб, важным является получение волноводных слоев и формирование требуемой геом. конфигурации пленарных элементов. Первая задача решается либо нанесением на подложку плёнок из др. материала, либо увеличением показателя преломления приповерхностных слоев подложки путём радиац., хим., термич. и др. воздействий. Для нанесения плёнок используются методы термич. и катодного распыления. При создании монокристаллич. слоев применяются разл. способы эпитаксиального выращивания. Повысить показатель преломления приповерхностного слоя, в т. ч. и в кристаллах, можно за счёт ионообменной диффузии, электродиффузии, имплантации ионов (см. Ионная имплантация)и т. д. Широко распространены методы получения волноводов путём термодиффузии из напиленной на подложку металлич. плёнки. Для формирования требуемой конфигурации отд. пленарных элементов и составленных из них оптич. интегральных узлов применяется гл. обр. фотолитография. Для создания монолитных схем И. о. используются полупроводниковые соединения A^IIIB^V и твёрдые растворы на их основе. Монокристаллы диэлектриков, так же как и ниобат и танталат лития, широко используются для изготовления разл. типов интегрально-оптических модуляторов, дефлекторов, переключателей, акустооптич. устройств обработки информации и т. д.

Литература по интегральной оптике

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.