Контрольные вопросы

1. Структура волоконного световода.

2. Одномодовые и многомодовые световоды, их конструктивное отличие.

3. Градиентные и ступенчатые световоды.

4. Явление полного внутреннего преломления в световодах.

5. Апертурный угол, числовая апертура, ее связь с показателями преломления сердцевины и оболочки. Вывести формулу (12.1) из законов геометрической оптики.

6. Направляемые, вытекающие и излучаемые волны в световоде.

7. Классы и моды электромагнитных волн, распространяющиеся в волоконных световодах.

8. Критическая частота и длина волны.

9. Основная мода, одномодовый режим передачи.

10. Максимальный диаметр сердцевины для одномодовой передачи (вывести выражение).

11. Нормированная частота.

12. Градиентные линзы.

13. Полушаговые и четвертьшаговые граданы.

14. Разъемный соединитель световодов на граданах.

15. Направленный ответвитель на граданах.

16. Мультиплексор на граданах.

17. Демультиплексор с дифракционной решеткой.

Лекция 13

Интегрально-оптические системы

13.1. Классификация и применение интегрально-оптических систем

Интегральная оптика зародилась в начале 70-х годов ХХ века на стыке современной оптики и квантовой электроники. Она изучает процессы генерации, распространения и преобразования оптического излучения в очень тонких прозрачных пленках (слоях) - пленочных волноводах и базируется на достижениях современной оптики и квантовой электроники, техники СВЧ, полупроводниковой электроники, физики кристаллов, а также технологии полупроводниковых приборов и интегральных электронных микросхем.

Интегрально-оптические системы содержат тонкопленочные генераторы излучения, пленочные волноводы, модуляторы, дефлекторы, направленные ответвители, фотодетекторы и другие элементы, выполненные на базе одного технологического процесса и на общей подложке.

Основу такой структуры представляет плоский диэлектрический волновод, являющийся аналогом волоконно-оптического световода. Волноводные структуры могут быть сформированы на поверхности или в объеме диэлектрической подложки технологическими методами, близкими к методам создания электронных интегральных микросхем. Размещая на той же подложке источник и приемник излучения, и элементы, предназначенные для преобразования оптического излучения (модуляторы, дефлекторы, смесители, фильтры и другие), можно создавать малогабаритные интегрально-оптические устройства с повышенной надежностью, малой потребляемой мощностью и низкими управляющими напряжениями, способные выполнять разнообразные функции.

В отличие от интегральной электроники интегральная оптика использует в качестве переносчика информации не поток электронов, текущий по металлическим проводникам, а поток фотонов, т. е. свет, распространяющийся по тонкопленочным волноводам. Это обеспечивает основные преимущества интегрально-оптических устройств перед электронными: более высокое быстродействие и широкополосность, нечувствительность к электромагнитным и иным помехам.

Интегрально-оптические устройства используются:

• в волоконно-оптических системах связи для пространственно-временного преобразования оптических сигналов, их частотной селекции, а также для «уплотнения» сигналов в оптических каналах;

• в системах обработки и хранения оптической информации (интегрально-оптические анализаторы спектра, корреляторы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи);

• в качестве датчиков физических величин: температуры, давления, напряженности электрического поля и др.

Основой любого интегрально-оптического устройства являются оптические интегральные микросхемы. Имеется два основных типа оптических интегральных микросхем.

К первому типу относятся монолитные схемы, в которых все элементы выполнены из одного материала. Так как подавляющее большинство оптических интегральных схем требует источников света и приемников, которые могут быть изготовлены только из активных материалов, монолитные интегральные схемы выполняются на основе активных материалов, например полупроводников.

Ко второму типу относятся гибридные схемы, в которых два или несколько видов материала каким-либо технологическим способом объединяются для оптимизации характеристик оптических элементов, входящих в состав оптической интегральной схемы.

Гибридные схемы обладают более широким спектром выполняемых операций, но из-за тепловых деформаций и вибраций возможно рассогласование элементов и даже отказы схемы. Вследствие этого по мере развития технологии доля используемых монолитных оптических интегральных схем возрастает.

В настоящее время разработаны практически все элементы, необходимые для создания интегрально-оптических схем: планарные волноводы с малыми потерями, элементы связи для ввода света в волновод и вывода из него, пленочные переключатели, ответвители, модуляторы, источники света и фотодетекторы, а также линзы, призмы, отражатели, поляризаторы и другие оптические элементы в тонкопленочном исполнении.