5. Елементи введення-виведення (інтегрально-оптичні елементи зв’язку)

Природно, що для того, щоб хвиля розповсюджувалася вздовж хвилеводу, необхідно якось генерувати електромагнітне випромінювання в його середині або так чи інакше ввести випромінювання у хвилевід. Пристрої, які здійснюють таку операцію отримали назву інтегрально-оптичних елементів зв’язку, або елементів введення-виведення. Найпростішій спосіб ввести хвилю у хвилевід - це створити відповідне опромінення торця хвилеводу. Але такий, здавалася б, простий спосіб не знайшов широкого впровадження, оскільки має суттєві недоліки:

1. Необхідне складне просторове, кутове узгодження геометричних параметрів, кутів спрямування опромінюючого пучка з параметрами хвилеводу.

2. Мала ефективність введення випромінювання у хвилевід, і як наслідок, значні енергетичні втрати.

3. Велика критичність подібних систем до будь-яких змін умов освітлення торця хвилеводу.

Винятком є випадок, коли джерело випромінювання (напівпровідниковий лазер) формується безпосередньо у хвилеводі або безпосередньо приєднується до торця хвилеводу та утворює з ним нероз’ємне з’єднання.

У курсі будемо розглядати лише два типи найбільш ефективних та найбільш розповсюджених елементів введення-виведення:

- призмовий елемент введення-виведення;

- решітчастий елемент введення-виведення.

3.1.1. Призмовий елемент введення-виведення

Призмовий елемент введення-виведення широко застосовується в лабораторній практиці.

В основі роботи призмовго елемента введення-виведення полягає той факт, що при явищі повного внутрішнього відбивання відбита хвиля занурюється в межуюче середовище. Схему роботи елемента наведено на рисунку 3.1.1

Р

Рис. 3.1.1

озташуємо призму біля поверхні хвилеводу на невеликій відстані . Направимо на призму під деяким кутом лазерний пучок. Причому кут між пучком і нормаллю до поверхні призми такий, що реалізується повне внутрішнє відбивання пучка від нижньої поверхні призми. При цьому в зазорі між призмою та хвилеводом утворюється стояча хвиля (мода призми) з константою розповсюдження . Якщо – достатньо малий зазор (близько декількох десятих довжини хвилі), то можна стверджувати, що, якщо б у хвилеводі розповсюджувалася певна мода , її “хвіст” теж знаходився б у проміжку і перекривався з хвостом моди . При цьому повинна виконуватися умова синхронізму між цими модами (збігання фазових швидкостей):

. (3.1.1)

Тоді хвіст хвилі, яка утворилася в призмі починає «перекачуватися» в хвилевід. Образно кажучи, хвилі однаково куди повертатися в призму, чи в хвилевід.

Природно, що коефіцієнт ефективності введення випромінювання залежить від величини зазору. Чим більше , тим менше ефективність введення.

– довжина зв’язку, обмежена розмірами призми. , яка необхідна для повної перекачуванни енергії визначається співвідношенням:

, (3.1.2)

де – так званий коефіцієнт зв’язку мод, який залежить від показників заломлення призми, хвилеводу, матеріалу та величини зазору. Для досягнення ефективного зв’язку (100-відсоткового введення випромінювання у хвилевід) величина повинна бути підібрана так, щоб не допустити перевипромінювання моди хвилеводу знову до призми. Якщо довжина контакту між призмою та хвилеводом більше ніж , яка визначається виразом (3.1.2), почнеться зворотний процес перекачування енергії з хвилеводу до призми.

До недоліків призмового елементу введення-виведення можна віднести, те, що матеріал, з якого зроблена призма повинен, як правило, мати показник заломлення , більший ніж показник заломлення хвилевідного шару. Це випливає з наступного. На практиці, дуже часто показник заломлення підкладенки близький до показника хвилевідного шару (наприклад, дифузійні хвилеводи). В такому випадку хвилевідні моди розповсюджуються практично вздовж поверхні хвилеводу ( ) і . Тоді з (3.1.1) випливає, що оскільки то .

Здебільшого всього призму виготовляють з рутилу ( ) або з монокристала фосфіду галію ( ).