9.4. Интегральные оптоэлектронные датчики

Оптические среды являются чувствительным элементом, свойства которого могут изменяться под влиянием внешних факторов. К таким факторам относятся электрические, магнитные, акустические поля, давление, температура и ряд других. При подобных воздействиях может происходить изменение таких параметров оптических сред, как показатель преломления или поглощения, коэффициент отражения, нарушения условия полного внутреннего отражения. Сдвиг края полосы поглощения (эффект Франца – Келдыша), изменения размеров образцов. Эти изменения параметров могут происходить непосредственно или косвенно через промежуточное изменение характеристик другой среды или промежуточного элемента.

Различаются два вида внешних воздействий: постоянные и переменные. Для успешной работы датчиков постоянное воздействие модулируются определенной частотой. По используемому виду модулированного воздействия датчики разделяются на амплитудные, фазовые, поляризованные.

Обычно в интегрально – оптических датчиках в качестве чувствительного элемента используются планарные световоды из материалов, обладающих сильными электрооптическими, упруго оптическими или магнитооптическими эффектами. Это позволяет с их помощью детектировать соответственно электрические, акустические или магнитные поля. В светопровод с одного конца вводится оптическое излучение от лазера или светодиода, а к другому концу подключается фотоприемник.

В основе действия большинства подобных датчиков положен методизмерения изменений условия полного внутреннего отражения для оптических пучков, распространяющихся вдоль светопровода и, как следствие – изменения сигнала фотоприемника. Используются два основных механизма нарушения полного внутреннего отражения. Во первых, это изменение показателя преломления под влиянием внешних факторов в промежуточном слое, нанесенным на поверхность светопровода.

Во вторых, изменение оптических характеристик самого светопровода за счет изменения площади оптического контакта промежуточного элемента со светопроводом под влиянием внешних факторов. Достоинством метода, основанного на измерении изменений полного внутреннего отражения, является возможность не только определения характеристик внешних воздействий, но и характеристик самого промежуточного материала.

В более современном варианте интегрально – оптического датчика также используются подобные сегнетоэлектрические, магнитные или пьезоэлектрические материалы, но со сформированными на их поверхностях фотоиндуцированными решетками или периодическими доменными структурами. Отсутствие промежуточного слоя позволяет более просто одном чипе сформировать оптические генераторы и фотоприемники и решеточные структуры в планарном интегральном исполнении. При необходимости измерения внешних факторов на удаление расстояния используется выносной датчик, соединенный с генератором и приемником волоконным световодом. Подобная схема интегрально – оптического датчика переменных электрических полей на основе брэгговской отражательной решетки в ниобате лития представлена на рис. 9.12 [6].

Рис. 9.12. Датчик электрических полей на основе решетки, сформированной на поверхности кристалла ниобата лития: Л – лазер (λ = 1,52 мкм); ФД – фотодетектор; С – элемент связи; Р – поляризационный дискриминатор, компаратор; Д – датчик электрического поля

Оптический пучок одномодового лазера с длиной волны 1,5 мкм, сформированного на поверхности чипа плоский световод поступает в двух канальный элемент связи. Часть пучка поступает в фотодетектор (1), а другая часть пучка через поляризационный дискриминатор поступает через волоконный световод в измерительный датчик. Датчик содержит брэгговскую решетку, сформированную на поверхности тонкого слоя ниобата лития, нанесенную на поверхность диэлектрика. Отраженный от решетки пучок попадает в фотодетектор (2) через поляризационную дискриминатор. В электрическом поле вследствие электрооптического эффекта возникает изменение показателя преломления, а следовательно и сдвиг резонансной длины волны в решетке ∆λ.

(9.2)

где ∆Е – амплитуда внешнего измеряемого электрического поля.

Вследствие изменения периода решетки возникает изменение коэффициента отражения пучка решетки, что фиксируется фотодетектором (2). Разбаланс напряжений между первым и вторым детектором измеряется компаратором. Подобные датчики способны измерять напряжение электрических полей промышленной частоты от 10 В/см до 10кВ/см без использования каких либо токонесущих элементов вокруг датчика и таким образом определять трехмерную ориентацию электрических полей.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается интегральная оптика от обычной оптики?

2. Какие типы световодов используются в интегральной оптике?

3. Для каких целей используются волоконные кабели?

4. Что такое активные элементы интегральной оптики?

5. Что такое пассивные элементы интегральной оптики?

6. Назовите области перспективного применения интегрально – оптических схем?

7. Как осуществляется модуляция в интегрально – оптических устройствах?

8. Что такое мультиплексирование и демультиплексирование?

9. Что такое интегрально – оптические датчики?

10. Назовите возможные применения в интегральной оптике индуцированных решеток и периодических доменных структур?

Рекомендуемая литература

1. Щука А.А. Наноэлектроника. Учебное пособие. Москва, Физматкнига, 2007.

2. Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. основы квантовой электроники. Учебное пособие. СПб, издательство СПбГТУ, 2001.

3. Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники. Учебное пособие. Москва, Высшая школа, 2005, с. 543.

4. Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И. Индуцированные доменные структуры в электро и магнитоупорядоченных веществах. Москва, Физматлит, 2003, с. 135.

5. Жуков А.Е., Ковш А.Р. Полупроводниковые лазеры на основе квантовых точек для систем оптической связи. Квантовая электроника, 2007, т. 38, № 5 с. 469.

6. Rungx L., Brunken S., Ruterc E., Kip D. Integrated optical electric field sensor based on a Bragg grating in lithium niobat.// Applied Physics 2007, vol b86, p. 91.

7. Hukriede J., Runde D., Kip D. Fabrication and application of holographic Bragg grating in lithium niobate channel Waveguides// Journ. Physics D, 2003, v. 36, PR1.

8. Sheng Y., Don L., Cheng B., Zhang D. Effective generation of red – green – blue laser in two – dimensional decagonal photonic superbattice// Aplied Physics 2007, v. B87, p. 603.

9. Ma G.H., Kitaela G.Kh, Naumova I.I., Tang S.H. THz generation and detection in periodically poled lithium niobate crystals Ferroelectrics, 2006, v. 341, p. 125.

10. Smirnov E., Ruter C.E., Kip D.K., Shandarova K., Shandarova V. Light propagation in double – periodic nonlinear photonic lattices in lithium niobate// Appl. Phys 2007, v. 88, p. 359.

11. Trchia G.A., Mendez C., Arias L., Roso L., Rodenas A., Jaque D. Laser gain in femtosecond microstructured Nd : MgO : LiNbO₃ crystals// Appl. Phys. 2006, vB 83, p. 559.

12. Петров М.П., Шамрай А.В., Козлов А.С., Ильичев И.В. Электрически управляемый интегрально – оптический фильтр. Письма в ЖЭТФ, 2004, т. 30, вып. 3, с. 75.

13. G.Zheng, W. She Fast and wide – range continuosly tunabbe solc – type filter based on periodically poled LiNbO₃. Appl. Physics, 2007, v. 88, p. 545.

Условные обозначения

A – амплитуда;

а – постоянная кристаллической решетки;

с – скорости света в вакууме;

с_ф – фазовая скорость;

с_гр – групповая скорость;

d – период структуры;

Е – электрическое поле;

ε – энергия;

ε_g – ширина запрещенной зоны;

f – частота;

h – постоянная планка;

H – магнитное поле;

I – интенсивность излучения;

J – плотность тока;

к – волновое число;

L – длина;

m_е – масса электрона;

N – число мод колебаний;

n – показатели преломления;

p – поляризация;

q – заряд электрона;

z – электрооптический коэффициент;

R – коэффициент отражения;

S – чувствительность приемника;

Т – коэффициент пропускания;

U – потенциальная энергия;

V – скорость;

λ – длина волны;

χ – восприимчивость;

ω – круговая частота;

φ – фаза колебаний;

ψ – волновая функция;

СВЧ – сверхчастотный диапазон;

ПДС – периодическая доменная структура;

ГВГ – генерация второй гармоники;

РБО лазер – лазер с распределенным брэгговским отражением;

РОС лазер – лазер с распределенной обратной связью;

ОИС – оптическая интегральная схема;

КТ – квантовая точка.

Оглавление

Предисловие 1

Введение 2