13.2. Оптические волноводы

Базовые элементы интегральной оптики — волноводные структуры. Оптические волноводы представляют собой тонкие диэлектрические слои с малыми потерями на рабочих длинах волн. Размеры слоев сравнимы с длиной волны света, поэтому точность их изготовления должна быть очень высокой. Обычно толщина оптических волноводов лежит в пределах 0,3...3,0 мкм, а их ширина составляет 1...5 мкм.

В интегральной оптике используется два типа волноводов: планарные и трехмерные.

Планарный волновод

Планарный волновод (рис. 13.1, а) представляет собой пленку с показателем преломления п₂, заключенную между двумя слоями из материалов с меньшими значениями показателя преломления п₁ и п₃. В зависимости от характера изменения показателя преломления планарные волноводы бывают ступенчатыми (рис. 13.1, б) и градиентными - с плавным изменением показателя преломления (рис. 13.1, в).

В планарных волноводах сечение светового канала в одном измерении имеет размер, сравнимый с длиной волны света λ, а в другом - много больше λ. Это затрудняет согласование волноводов с другими элементами интегрально-оптической схемы.

Трехмерные волноводы

Более широкое применение нашли трехмерные волноводы, сечение световых каналов в которых соизмеримо с длиной волны. Трехмерные волноводы подразделяются на канальные и полосковые.

Н а рис. 13.2 заштрихованы сечения световых каналов в канальных волноводах различного типа.

Полосковый волновод представляет собой планарный, на поверхность которого нанесена узкая металлическая полоска. В таких структурах излучение распространяется в основном в области под полоской, не проникая в нее.

13.3. Устройства ввода и вывода излучения из волновода

При практическом использовании диэлектрических пленочных волноводов излучение источника света (обычно лазера) необходимо ввести в волновод, либо наоборот - вывести из него на приемник излучения.

Для решения этой задачи разработаны различные устройства ввода - вывода излучения. Все устройства ввода - вывода можно разделить на устройства с поперечной и продольной связью.

Поперечная связь

С вязь источника излучения, например лазера, с волноводом может быть осуществлена с помощью линзы. Схема, поясняющая использование линз для ввода и вывода излучения, показана на рис. 13.3, а, где И - источник излучения, Пр - приемник излучения, Л - линза.

При линзовой системе связи нужна очень точная фокусировка излучения на торец волновода, так как даже незначительное смещение луча относительно входного торца резко уменьшает эффективность ввода излучения (долю вводимого излучения). Требования к фокусировке несколько ниже, если линза расположена вплотную к волноводу (рисунок 13.3, б) или к источнику И (рис. 13.3, в). Связь с помощью линз называется поперечной, поскольку ввод - вывод излучения осуществляется через торец волновода.

Продольная связь

В интегральной оптике широко применяется и так называемая продольная связь, например с помощью призмы, помещаемой над пленкой, на расстоянии менее длины волны света (рис. 13.4, а). Световая волна на нижней грани призмы связи испытывает полное внутреннее отражение. При этом за пределами нижней грани существует затухающее поле, 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 пленку можно ввести до 80 % лазерного излучения. Однако получение такого зазора достаточно сложно.

Для ввода и вывода света используются также периодические решеточные структуры. На пленочном волноводе создается решетка из линий, перпендикулярных к направлению распространения волны в волноводе (рис. 13.4, б). Связь основана на дифракции света на этой решетке и на существовании определенных мод в волноводе.

Перспективно использование пленки с клинообразным концом (рис. 13.4, в) для ввода - вывода энергии. Волоконный световод вставляется в цилиндрическое углубление, сделанное в подложке ниже волновода. Полусферическая часть этого углубления заполняется материалом с высоким показателем преломления, чтобы сформировалась линза. Световые лучи, сфокусированные линзой, попадают в пленочный волновод. Если угол клина α настолько мал, что условие полного внутреннего отражения не выполняется, то волна может перейти из подложки 3 в волновод 2 или, наоборот, при выводе — из волновода в подложку.

Из рассмотренных способов ввода - вывода излучения в волновод последние два наиболее удобны, так как позволяют применять интегральную технологию и осуществлять не только связь устройства с внешними элементами, но и связь волноводов различных уровней в многослойных структурах.