8. Контрольні запитання

1. Наведіть характеристики індикаторів, обґрунтуйте їхній

зв’язок з параметрами людського ока.

2. Опишіть напівпровідникові індикатори, їхні спектральні мож­ливості, матеріали.

3. Розкрийте особливості органічних напівпровідникових інди­каторів.

4. Розкажіть про рідкокристалічні індикатори, їх побудову.

5. У чому суть твіст-ефекту?

6. Опишіть принцип роботи, параметри газорозрядних індика­торів.

7. Розкрийте принцип дії й конструкції вакуумних розжарю- вальних індикаторів.

8. Опишіть принцип дії й конструкції вакуумних люмінесцент­них індикаторів.

9. Опишіть конструкції дисплеїв з польовою емісією.

10. Як працюють тонкоплівкові електролюмінесцентні індикатори?

9. Приклади аудиторних і домашніх завдань

1. Джерело випромінювання індикатора задано координатами на графіку МКО: х = 0,42, г/ = 0,37. Визначити домінуючу довжину хвилі А,_дом і колірну насиченість (чистоту кольору) випромі­нювання.

Розв’язання

Для визначення А,_дом колірні координати випромінювача (точка Р на рис. 4.3) наносять на колірний графік. Потім прово­дять пряму від точки W (відповідної білому кольору) через точ­ку Р до перетинання лінії чистих кольорів. У точці перетинан­ня визначається значення домінуючої довжини хвилі Х_дом і відповідний їй колір випромінювання — жовтувато-помаран- чевий.

Чистоту (або насиченість) кольорів т характеризують відношенням відрізків а₁ і а₁ + а₂ (рис. 4.3), тобто

У цьому разі пг = =0,6.

6+4

2. Джерело випромінювання індикатора задано координатами на графіку МКО: х = 0,05, у = 0,7. Визначити домінуючу довжину хвилі.

3. Світловипромінювальний діод на основі СаР:Ы має максимум випромінювання на довжині хвилі 600 нм, чистоту кольору

1. 9. Визначити його координати на графіку МКО.

4. Світловипромінювальний діод на основі йаМ має максимум випромінювання на довжині хвилі 520 нм, чистоту кольору

1. 7. Визначити його координати на графіку МКО.

1. Пасивні елементи

Безпосереднім поштовхом до зародження інтегральної оптики були проблеми, висунуті розвитком оптичного зв’язку. Як відомо, типовий оптоелектронний ретранслятор містить у собі дискретний фотоприймач, лазер, модулятор, пасивні оптичні елементи (лінзи, призми, дзеркала). У такій системі відбувається подвійне пере­творення енергії (світлової в електричну й навпаки). Тому виникло запитання: як виключити це подвійне перетворення й обробку ін­формації побудувати безпосередньо на маніпуляції з оптичними сигналами, що надходять зі світловода? Для позитивної відповіді на це запитання необхідний, насамперед, оптичний аналог НВЧ- хвилеводу, який би забезпечував спрямоване поширення світлової хвилі без втрат і спотворень і міг бути реалізований методами інте­гральної технології.

Теоретичні й експериментальні дослідження показали, що ка­налізацію світлової хвилі може бути вирішено на основі плоских діелектричних хвилеводів, що являють собою тонкоплівковий аналог волоконно-оптичних світловодів.

Розробка діелектричних хвилеводів, створення плівкових кон­струкцій лазерів, фотоприймачів, модуляторів і їхнє об’єднання на загальній підкладці в оптичні інтегральні схеми — все це було пер­шим кроком у розвитку інтегральної оптики.

Це новий напрямок фактично являє собою хвилеводну оптику, тобто застосування НВЧ-методів до розв’язання завдань поширен­ня й перетворення оптичного випромінювання.

Певним стимулом для розвитку техніки плівкових діелектрич­них світловодів є розширення можливості функціональної інте­грації, коли кремнієві великі інтегральні схеми (ВІС) доповнюють­ся елементами оптичного зв’язку. Це дозволяє створювати схеми

постійних запам’ятовувальних пристроїв (ЗП) з оптичним перепро- грамуванням та іншими елементами однорідних обчислювальних середовищ ЕОМ п’ятого покоління. Крім того, перехід від дискрет­них об’ємних оптичних елементів до їх двовимірних поверхневих аналогів відкриває перед оптоелектронікою й оптикою можливості повного використання тих переваг, які має планарна технологія.

Наукову основу інтегральної оптики становить вивчення про­цесів поширення електромагнітних хвиль у плоскому діелектрич­ному хвилеводі. Останній являє собою розташовану на підкладці тонку й вузьку діелектричну смужку, що має більший показник переломлення, ніж оточуючі її середовища. Поле хвилі, що поши­рюється уздовж такого хвилеводу, швидко слабшає в міру відда­лення від несної смужки.

Модель такого хвилеводу в загальному вигляді може бути зоб­ражена тришаровою структурою (рис. 5.1), що містить підкладку, хвилевід і покриття.

Розв’язання рівняння Максвелла для напрямку уздовж осі 2 у двовимірному випадку показує, що гармонійна хвиля існує в оп­тично найбільш щільному середньому шарі й експоненціально за­гасає в шарах 1 і 3. Ці хвилі називають каналізованими, або хвиле- водними модами.

У режимі збудження хвилеводних мод у загальному випадку у хвилеводі може існувати кінцеве число хвилеводних ТЕ-мод (зі складовими полів Е_х, Н_х, Н_г,) і ТМ-мод (зі складовимиН_у, Е_х, Е_г).

Кількість власних мод тим більша, чим більше відношення А/А, (А — товщина хвилеводу), і залежить від співвідношення показ­ників переломлення д₁, п₂, п₈.

При деякому значенні А = А_й мода ТЕ стає хвилеводною, подаль­ше збільшення А дозволяє існування моди ТЕ1, потім моди ТЕ2 і т. п. Аналогічно відбувається й із ТМ-модами. При зменшенні товщини хвилеводу нижче критичної хвилеводні моди перетворю­ються на моди підкладки, спрямована каналізація світла припи-

Рис. 5.1. Модель діелектричного хвилеводу: 1 — покриття;

2 — хвилевід; З — підкладка

няється. При сильному роз­ходженні п₁ і п₂ і близькості п₂ і «з тобто

критична товщина хвилеводу

У найбільш характерному випадку при X = 0,3 мкм і h_k становить 1,2 мкм.

Окрім розв’язання рівняння Максвелла, для дослідження модо- вих характеристик хвилеводів придатна концепція зиґзаґоподіб­ного поширення світла. Відповідно до цієї концепції, кожна мода являє собою промінь, що падає на границі хвилевід — підкладка й хвилевід — покриття під певним кутом 0 (рис. 5.1) і поширюється усередині середнього шару внаслідок повного внутрішнього від­биття. Незважаючи на зиґзаґоподібний шлях такого променя, світло по суті поширюється тільки в напрямку Z та утворює у на­прямку X стоячу хвилю. Постійна поширення:

ß = kn₂ sin 9,

де \к\ =«/с; со — кутова частота світлових коливань.

Для того щоб плоскі хвилі після багаторазового відбиття інтер- ферували між собою у фазі, повинна виконуватися умова

Граничне значення кута Ö, при якому мода залишається хвиле- водною, визначається співвідношеннями:

де Ф₂₃ і Ф21 — фазові зсуви при повному внутрішньому відбитті на нижній і верхній границях світловода; т — ціле число.

Розв’язання цього трансцендентного рівняння дає набір дозво­лених значень 0_т і відповідно р_т і фактично визначає власні моди хвилеводу.

При поширенні по хвилеводу декількох мод між ними виникає зв’язок, обумовлений рядом дефектів (флуктуації показника пере­ломлення, шорсткість граней і т. д.). Цей зв’язок приводить до обміну потужністю між. модами. Чим істотніші дефекти, тим силь­ніша взаємодія мод і менша відстань, на якій відбувається задане перекачування потужності між. двома модами. Для забезпечення малих спотворень необхідно, щоб шорсткості не перевищували (0,1...0,03)/г.

Із сказаного випливає, що для створення оптичних інтеграль­них. схем необхідно вміти виготовляти плоскі діелектричні хвиле­води з товщиною, близькою до ку. (для одержання одномодового ре­жиму) і з малими шорсткостями границь АІі.

Прийнятні величини становлять А = 0,5...5 мкм, ДЛ = 0,1...1 мкм, а загасання сигналу В не повинно перевищувати 1 дБ/см.

Основні види діелектричних хвилеводів подано на рис. 5.2.

Поперечні перерізи можливих конструкцій полозкових хвиле­водів визначаються головним чином застосовуваною для їхнього виготовлення технологією. Іноді використовують захисні покрит­тя для запобігання несної смужки від зовнішніх ушкоджень.

Діапазон змін визначальних параметрів становить:

А = 0,3...10 мкм, й = 3...100 мкм, — = 10~²...10^-3

п

Для передачі світла по криволінійній траєкторії хвилеводи зги­наються у площині підкладки. При цьому виникає додаткове зага­сання внаслідок випромінювання зі згинів, тим більше, чим менше радіус згину.

Використовувані матеріали й технологічні методи наведено в табл. 5.1.

Крім цього, ефект каналізації світла спостерігається у тонких моно- і полікристалічних плівках йпБе, йпО, СсІЗ, ОаАІАз, Бі і в ба­гатьох органічних речовинах.

Рис. 5.2. Різновиди діелектричних хвилеводів: а — смужковий; б, в — канальні

Втрати в оптичних хвилеводах пов’язані в основному з трьома механізмами: розсіюванням, абсорбцією (поглинанням) і випро­мінюванням.

Втрати, обумовлені розсію­ванням, домінують у скляних і ді­електричних хвилеводах, а погли­нання переважає в напівпровід­никах та інших кристалічних матеріалах. Втрати, обумовлені випромінюванням, стають істот- ними у хвилеводах, вигнутих по кривій.

Абсорбційні втрати в тонких аморфних плівках і кристалічних сегнетоматеріалах, наприклад ЬіТаОд або ІлШ0₃, нехтовно малі порівняно із втратами в резуль­таті розсіювання. Однак у на­півпровідниках спостерігаються

істотні втрати, обумовлені як міжзонним поглинанням або погли­нанням на краю смуги, так і поглинанням на вільних носіях.

Таблиця 5.1

Матеріали й методи виготовлення інтегральних хвилеводів

Матеріали		Методи одержання тонких плівок	В, Дб/см	к, нм
Аморфні та кристалічні	Скло	Дифузія домішок, іонна імплантація,	«1	0,63
	кварц	високочастотне розпилення	*0,2	0,63
	Та205	Реактивне катодне розпилення, електролітичне анодування	1	0,63
Органічні	Фоторезист	Пульверизація,	1	0,63
	Органо- сілікон	хімічне осадження Високочастотне розпилення	0,04	0,63
	Епоксидна смола	—	0,3	0,63
Електрооптичні	LiNb*Ta і-*°з	Катодне розпилення	6	0,63
та магнито- оптичні	LiNbOg	Рідиннофазна епітаксія	5	0,63
	Гранат	—	13	1,15
Напівпровідни­ кові	GaAs	Газова, рідиннофазна епітаксія	1	1,15
	Pbi-*Sn*Te	Молекулярно- променева епітаксія	6,5	10,6
	ZnS	Вакуумне випаровування	6	0,63

Волоконні світловоди в основному створюють із плавленого кварцу, багатокомпонентного скла і полімерів.

Оптичні хвилеводи з малими втратами можна створювати іонною імплантацією бору в плавлений кварц без відпалу.

Хвилеводна техніка придатна для виготовлення основних видів пасивних оптичних елементів.

Ефект призми (відхилення й поворот світлового променя) вини­кає, якщо на якійсь ділянці хвилеводу нанесено додатковий шар тієї самої речовини у формі трикутника: це пояснюється тим, що швидкість світла залежить від товщини світловода.

Лінзовий ефект виникає при плав­ній зміні показника переломлення по перетину хвилеводу. Можливо, чис­то геометричне рішення цього зав­дання, коли на частині світловода утворюється розширення напівкруг­лої форми.

Рис. 5.3. Дифракційна ґратка в плоских хвилеводах

Поширення світла змінюється на

зворотне (ефект дзеркала) при створенні на одній із граней світ- ловода дифракційної ґратки (рис, 5.3). Встановлено, що якщо ґратка має кілька сотень штрихів, світловий потік може змінити свій напрямок на зворотний. Відстань між штрихами повинна за­довольняти умові Брегга

де т — порядок дифракції; Х_в — довжина хвилі світла в матеріалі світловода.

Технологія діелектричних хвилеводів придатна для виготов­лення оптичних аналогів більшості елементів НВЧ-техніки: спря­мованих відгалужувачів, частотно-селективних фільтрів, переми­качів, фазообертачів і т. п.

Спрямоване відгалуження може бути реалізовано декількома способами (рис. 5.4).

Найпростіший з них — використання зв’язку хвилеводів, роз­ташованих близько один від одного (рис. 5.4, а). Встановлено, що якщо постійні поширення в обох хвилеводів однакові, на дея­кій довжині можливе повне перекачування потужності з одного

Рис. 5.4. Спрямовані відгалужувані

хвилеводу в іншій. Якщо ж ці постійні неоднакові, відбувається часткове перекачування. Для встановлення зв’язку між хвилево­дами (рис. 5.4, б) можна прикласти зворотну напругу до бар’єра Шотткі з боку одного з них. Таким способом можна перемикати до ЗО % потужності з одного хвилеводу в іншій.

Уведення випромінювання в плоскі діелектричні хвилеводи розв’язується декількома способами (рис. 5.5).

Лінзовий ввід (рис. 5.5, а) вимагає гладкої торцевої поверхні хвилеводу, точного механічного юстирування. Більш ніж у 90 % ефективність вводу енергії може забезпечити призмовий ввід (рис. 5.5, б) за умов, що прилягаючі поверхні досить гладкі, зазор між ними не перевищує 100 нм і виконано умову узгодження 2тс .

П_пр 3111 ф = р_т, де \і_т — постійна поширення т-1 моди у хвиле-

воді. Не менш ефективним може бути й дифракційний ввід (рис. 5.5, в), конструктивно більш зручний, ніж призмовий. Дуже перспективне використання вводу-виводу клинчастого кінця плівки (рис. 5.5, г).

Розрахунок і експеримент показують, що, якщо скіс досить по­логий, хвилеводні моди з високою ефективністю перетворяться на моди підкладки.

Рис. 5.5. Уведення випромінювання в діелектричні хвилеводи: а — лінзовий ввід; б — призмовий ввід; в — дифракційний ввід; г — за допомогою клинчастого кінця; д — за допомогою фоторезисту

Таким чином, випромінювання може бути введене з боку підкладки, і вся поверхня оптичної ІМС залишається незайнятою. Сполучення багатомодового оптичного волокна із багатомодовим

плоским хвилеводом здійснюється їхнім з’єднанням на деякій довжині за допомогою фоторезисту (рис. 5.5, д). Ефективність вво­ду при цьому може досягати 70 %. З розглянутих методів лише дифракційний і клиноподібний досить повно відповідають вимо­гам інтегральної технології, дозволяючи здійснювати не тільки зв’язок пристрою із зовнішніми елементами, але й хвилеводів різ­них рівнів у багатошарових структурах.