13.4. Направленные ответвители и пассивные элементы Направленные ответвители

В интегрально-оптических системах возможно получение направленных ответвлений - устройств, обеспечивающих обмен мощностью между колебаниями, распространяющимися в параллельных волноводах. Примеры направленных ответвлений приведены на рисунке 13.5.

В одном из них (рис. 13.5, а) использован эффект связи между волноводами, расположенными близко друг от друга. В другом направленном ответвителе (рис. 13.5, б) при приложении со стороны одного из волноводов обратного напряжения к границе раздела между металлом и полупроводником (барьеру Шотки) возможна перекачка мощности в другой волновод.

Интегрально-оптические пассивные элементы - линзы, призмы

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. Поясним это несколько более подробно. Известно, что фазовая скорость распространения света в объеме какого-либо слабопоглощающего вещества v = с/п, т. е. зависит от показателя преломления среды п (с - скорость света в вакууме). В тонкопленочных же волноводах v = с/γ, где γ - фазовый коэффициент замедления волны (моды), котор ый зависит от материала волновода и граничащих с ним сред, а также от типа распространяющегося по волноводу колебания. При переходе из тонкопленочного волновода с коэффициентом замедления γ₁ в волновод с коэффициентом γ ₂ изменяется направление распространения света, т. е. свет преломляется. Закон преломления света аналогичен закону Снеллиуса:

.

Коэффициент замедления колебаний изменяется в зависимости как от толщины пленки (чем толще пленка, тем больше γ), так и от ее показателя преломления. Поэтому если волновод выполнен из одного материала, но имеет разную толщину, то при переходе света из области с толщиной d₁ в область толщиной d₂ направление распространения света изменяется (рис. 13.6).

Из-за этого при распространении в ступенчатом волноводе нескольких колебаний с разным коэффициентом γ происходит пространственное разделение этих колебаний.

Для разделения колебаний вместо соединения двух волноводов различной толщины можно использовать двухмерную призму. Если такую призму изготовить в тонкопленочных волноводах (рис. 13.7), то в области скачкообразного изменения толщины пленки будет происходить преломление и отражение колебаний, т. е. их пространственное разделение.

Д ля фокусировки излучения в интегральной оптике используются системы с плавно меняющимися параметрами — тонкопленочные линзы.

Первые такие линзы создавались путем изменения толщины волновода на участке, имитирующем по форме обычную объемную линзу. В качестве линзы можно также использовать волноводную пленку, форма которой изображена на рисунке 13.8.

Интегрально-оптические фокусирующие элементы

В интегральной оптике находят применение интегрально-оптические фокусирующие элементы: линзы Люнеберга, геофизические линзы и линзы типа дифракционных решеток.

Линза Люнеберга (рис. 13.9) представляет собой подложку с показателем преломления п₄, на которую нанесены два волноводных слоя с показателями преломления п₂ и п₃. Верхний волноводный слой имеет круговую симметрию и переменную толщину, за счет чего меняется коэффициент γ.

Г еодезическая линза (рисунок 13.10) представляет собой углубление (или возвышение) сферической формы в подложке, выполненное оптическим шлифованием и полированием. Волновод в подложке (на рис. 13.10 заштрихован) создается после изготовления требуемого рельефа.

В основе работы линзы лежит принцип Ферма, в соответствии с которым луч света всегда распространяется в пространстве между двумя точками по тому пути, вдоль которого время его прохождения наименьшее. Кратчайший по времени оптический путь для луча, вошедшего в линзу, проходит по геодезической линии искривленной поверхности, образующей линзу. Длина пути в центральной части линзы больше, чем на ее краях. Так как показатель преломления п волноводного слоя постоянен по всей длине, то оптическая длина путей пl, проходимых разными лучами, будет различной, В результате волновой фронт за линзой (штрихи на рисунке) искривляется, отчего все лучи, являющиеся нормалями к поверхности волнового фронта, отклоняются линзой и фокусируются в точке F.

На рис. 13.11 показана волноводная линза Френеля. Она состоит из подложки с показателем преломления п₄, волновода с показателем преломления п₃ и отрезков пленки с показателем преломления п₂. Фокусирующие свойства такой линзы определяются процессами дифракции.