2. Активні елементи

До активних елементів оптичних ІМС належать лазери, фото­приймачі, модулятори, комутатори.

Найваясливіше конструкторське досягнення останніх років в галузі лазерної техніки: — напівпровідникові лазери з розподі­леним зворотним зв’язком (рис. 5.6). Торцеві дзеркальні поверхні в лазері замінені дифракційною ґраткою (рис. 5.6, а), що забезпе­чує необхідний позитивний оптичний зворотний зв’язок. У типо­вому ОаАІАв-гетеролазері. з розподіленим зворотним зв’язком крок дифракційної ґратки близький до 0,25...0,4 мкм, глибина рифлення лежить у межах 0,05...0,1 мкм і становить, як правило,

5. . 10 % товщини активної електричної області. Спектральна лінія, що генерується, може бути дуже вузькою й значення Ак/Х вдається знизити на два-три порядки порівняно зі звичайними ге- теролазерами.

Виграш за величиною 9_шшр, як і за АХ/Х, також може досягати декількох порядків. Крім того, лазери з дифракційною ґраткою характеризуються в кілька разів меншою температурною зміною довжини хвилі світла, що генерується, порівняно зі звичайними гетеролазерами.

Сполучення лазера з хвилеводом може здійснюватися безпо­середнім переходом активної області у світловод, як це показано на рис. 5.6, а. Однак частіше використовується клиноподібна система сполучення, у якій активна область і хвилевід можуть бути вико­нані з різних матеріалів і на різних рівнях (рис. 5.6, б).

Гетеролазер з розподіленим зворотним зв’язком і клиноподіб­ним пристроєм сполучення являє собою основну конструкцію гене­ратора оптичних ІС.

Хвилевід може бути виконаний на основі плівки фоторезисту (рис. 5.6, в), яка розташована над оптично менш щільною плівкою ®і0₂.

В активній області товщина плівки 8і0₂ дуже мала, і фактичною підкладкою хвилеводу є кремній. Оскільки коефіцієнт перелом­лення кремнію значно більший, ніж у фоторезисту, в цій області хвилеводні моди перетворяться на моди підкладки, тобто світлова енергія з фоторезисту переходить у кремній.

Рис. 5.6. Сполучення інтегральних лазерів та фотоприймачів з хвилеводами в ОЕІМС: а — безпосередній перехід лазер — хвилевід; б — клиноподібний перехід лазер — хвилевід;

в — перехід хвилевід — фотоприймач на основі фоторезистивної плівки; г — безпосередній перехід хвилевід — фотоприймач

У структурі на рис. 5.6, г плоский хвилевід, виготовлений з не- легованого ОаАв, безпосередньо переходить у сильно поглинаючу ділянку потрійної сполуки ІпОаАє. Збирання носіїв заряду, що ге­неруються світлом, здійснюється за допомогою бар’єра Шотткі, утвореного платиновим електродом, нанесеним на поверхню на­півпровідника.

Як фотоприймачі оптичних інтегральних схем можуть викори­стовуватися гетероструктури. Хвилеводні фотоприймачі характе­ризуються майже .100 % ефективністю, тому що в них втрати на відбиття практично відсутні.

У тонкоплівкових модуляторах використовуються різні фізич­ні ефекти: електрооптичний, магнітооптичний, ефект Келдиша — Франца.

Модулятори можуть бути побудовані на основі пленарних хви­леводів, підкладка яких виготовляється з матеріалів, що мають електро-, магніто- або акустооптичні властивості. Параметри цих

матеріалів змінюються при відповідних зовнішніх впливах (елек­тричних, магнітних, акустичних), що дозволяє керувати поши­ренням світла у хвилеводі.

При використанні електрооптичного ефекту застосовуються LiNb()₃, ІЖЬ^Та^Оз у вигляді тонких плівок.

Лінійний електрооптичний ефект у напівпровідниковихр-п-пе­реходах (у р-г-п-структурах, в області бар’єра Шотткі) виникає у зв’язку з тим, що при додаванні зворотної напруги в області об’ємного заряду змінюється концентрація вільних носіїв, що при­водить до модуляції діелектричної проникності є, а отже, і показ­ника переломлення п. Для звичайних об’ємних модуляторів цей ефект важко використовувати, тому що світло довелося б уводити у вузьку зону уздовж р-я-переходу. У тонкоплівкових структурах це є перевагою. При використанні таких напівпровідників, як GaAs, Ga керуюча напруга може бути знижена до десятків і оди­ниць вольт.

При створенні магнітооптичних модуляторів перехід до тонко- плівкових конструкцій дозволяє частково усунути основний недо­лік цих приладів — низьку робочу частоту. Так, феріт-гранатові

Q

модулятори працюють на частотах -10 Гц і споживана ними по­тужність на порядок менша, ніж у кращих зразків електрооптич­них модуляторів.

Магнітооптичні модулятори в тонкоплівковому виконанні ха­рактеризуються низьковольтним керуванням (одиниці вольт), що робить їх сумісними зі стандартними мікросхемами.

Ефект Келдиша — Франца пов’язаний зі зміною коефіцієнта по­глинання світла в напівпровідниках. Він полягає у зсуві краю сму­ги поглинання при створенні в напівпровіднику сильного елек­тричного поля. При переході до тонкоплівкових хвилеводних конструкцій необхідні поля можуть бути отримані при досить ма­лих напругах (1... 10 В). Характерною рисою ефекту Келдиша — Франца є його практична безінерційність: час релаксації близький до 10~¹³ с.

Із конструктивних міркувань найбільшого поширення набули електрооптичний і акустоелектричний принципи керування. Най­простішу структуру планарного електрооптичного фазового моду­лятора (фазообертача) показано на рис. 5.7. Ділянку смужкового хвилеводу 2 (або підкладки) розташовано між плівковими метале­вими електродами 1, виконано з електрооптичного матеріалу, по­казник переломлення якого змінюється під дією електричного по­ля електродів.

Це приводить до зміни ефективного показника пере­ломлення хвилеводу, у резуль­таті на виході модулятора з’являється керований зсув.

Рис. 5.7. Електрооптичний фазовий модулятор: 1 — металеві елеістроди; 2 — ділянка смужкового хвилеводу

За допомогою системи пара­лельно розташованих фазо­обертачів описаного типу можна на її виході сформувати керований фазовий фронт і побудувати оптичний рефлектор, що забезпечує кероване відхилення світлового променя.

Найпростіший амплітудний модулятор також може працювати за схемою рис. 5.7. У цьому разі хвилевід має бути розрахований таким чином, щоб керована зміна показника переломлення перево­дила його з режиму прозорості в режим непрозорості. Глибина амп­літудної модуляції наближається до 100 %. При цьому пристрій може виконувати функцію одноканального комутатора світла.

Однохвилеводний електрооптичний модулятор являє собою від­різок ОВ із НП п-типу з нанесеними металевими керуючими, елек­тродами, з яких верхній утворює бар’єр Шотткі (будь-який метал, крім А§-), а нижній створює омічний контакт (Ш>, Се, Ва). Повна зміна коефіцієнта переломлення при подачі керуючої напруги умовно визначається трьома факторами:

Ап = ^⁼‘^пі -п₀ =Ап_х+Ап₃ + Ап_ео,

де Ап_х обумовлено різною концентрацією домішок, тобто забезпе­чується технологією; Ап₃ пов’язане зі зменшенням концентрації носіїв у переході; Ап_ео обумовлено електрооптичним ефектом.

На основі такої конструкції можна зробити фазовий модулятор, що є базовим керованим елементом більш складних пристроїв. Та­кий модулятор на О а Аз може забезпечити коефіцієнт модуляції М=0,95 на довжині хвилі 1,15 мкм для частоти модуляції 150 МГц і вимагає потужності керуючого джерела Р = 300 мкВт/МГц при напрузі керування 130 В. При використанні ІлМ1>0₃ з дифузією Ті М дорівнює — 19 дб на довжині хвилі 0,63 мкм при. напрузі керуван­ня 10 В.

Двоканальний модулятор можна одержати із двоканального спрямованого відгалужувана додаванням двох протифазних ке­руючих електродів на області ОВ. При зміні керуючої напруги на

електродах коефіцієнти фази змінюються в різні сторони, що доз­воляє змінювати від нуля (фазового синхронізму й повного перека­чування енергії з першого каналу в другий) до значення, що забез­печує вимикання другого каналу.

Електрооптичний модулятор типу Маха. — Цандлера працює на основі хвилеводного варіанта інтерферометра Маха — Цандлера, у якому відбувається інтерференція двох хвиль, що проходять різ­ні оптичні шляхи.

Без керуючої напруги оптичні шляхи однакові, і на виході хвилі, що приходять по двох шляхах, складаються сінфазно, утво­рюючи таку саму основну моду.

Якщо керуюча напруга забезпечує різницю фаз у двох каналах, що дорівнює тс, то отримуємо відсічку основної моди.

На практиці точної ідентичності OB домогтися не вдається, то­му підбираються напруги для увімкнутого й вимкнутого станів.

Наприклад, модулятор на LiNbOg з областю OB, утвореною ди­фузією Ті, при довжині L = 38 мм забезпечує Р_уві_мк/Р_вимк = 22 дб.

Для створення пленарних електрооптичних модуляторів засто­совуються також хвилеводні ґратки, утворені електричними поля­ми періодичної системи електродів,, Подача на електроди керую­чих напруг приводить до відповідної модуляції параметрів

і променів ґраток.

З електрооптичних матеріалів застосовують ніобат літію, арсе­нід і фосфід галію з р-?г-переходами, рідкі кристали.

Значні можливості для керування світловими пучками надає акустооптична взаємодія, обумовлена явищем фотопружності або зміною показника переломлення речовини під дією механічних напруг. Разом із цим використовується також зміна геометричних розмірів хвилеводів і форми їхньої поверхні під дією звукових ко­ливань.

Структура найпростішого пленарного акустооптичного керую­чого пристрою показана на рис. 5.8. Тут п’єзокристал 1 з керуючи­ми електродами 2 генерує поздовжню звукову хвилю, що крізь шар 3, що відокремлює хвилевід від поглинаючого металевого електрода, і хвилевід 4 проходить у підкладку 5. Під дією звукової хвилі змінюються параметри хвилеводу (товщина й показник пе­реломлення шарів), що приводить до фазової модуляції світлової хвилі, що йде по хвилеводу з частотою звуку. Якщо параметри хви­леводу близькі до критичних, відбувається амплітудна модуляція.

У наведеній схемі можливі ви­користання й зсувної об’ємної звукової хвилі, поляризованої перпендикулярно до напрям­ку світлового променя. У цьо­му разі звук створює анізо­тропію хвилеводу, внаслідок якої виникає взаємна транс­формація ТЕ-, ТМ-хвиль, що супроводжується їх амплітуд­ною й фазовою модуляцією.