Интегральная оптика

Интегральная оптика является разделом оптоэлектроники, в котором изучаются оптические явления в тонких слоях материалов, а так же разрабатываются методы создания интегрально- оптических элементов и устройств для цепей генерации, преобразования и передачи сигнала.

Элементы интегральной оптики

1. Источник света (когерентный или некогерентный)

2. Миниатюрный волновод ­ интегрально- оптический световод. Создается на основе световедущего слоя на поверхности или внутри диэлектрической подложки, либо в виде отдельного световолокна. В световедущем слое предусмотрен большой коэффициент преломления, чем в окружающей среде, что обеспечивает локализацию в нем излучения вследствие явления полного внутреннего отражения.

3. Устройство управления световым потоком. В его основе лежит либо пассивный метод, связанные с возбуждением с возбуждением определенных волноводных мод. Сюда относятся планарные линзы и призмы.

Активные способы управления ­ используются различные физические явления и эффекты, такие как: акустические, электрооптические, магнитооптические. Они позволяют локально менять показатель преломления n. Возможно введение в световой канал модуляторов, дефлекторов, частотных фильтров фазовращателей, направленных ответвителей и других элементов управления световым потоком.

Устройства и элементная база интегральной оптики.

Различают три группы интегрально оптических элементов:

- пассивные элементы управления излучением;

- элементы преобразования электрической энергии в световую;

- элементы преобразования световой энергии в электрическую.

К пассивным интегрально-оптическим элементам относятся прежде всего устройства ввода и вывода излучения. Они предназначены для согласования световых потоков входящих и выходящих из волновода. К этой же группе относятся интегрльно-оптические разветвители излучения с разным числом каналов.

Возможны и другие виды элементов ввода и вывода, например, волноводы с изменяемой геометрией.

Интегрально- оптические линзы фокусируют излучение волновода в заданном месте. Различают геодезические линзы, линзы Люнеберга и линзы Френеля.

1. геодезические б) Люнеберга в) Френеля

где 1 – подложка

2 – планарный волновод

3 – линза

4 – световой поток

Линзы Люнеберга представляют собой область определенной конфигурации с отличным от волновода показателем преломления n₂>n₁.

Линзы Френеля является дифракционной решеткой с переменным шагом, используется также в голографических элементах связи.

К этой же группе можно отнести интегрально-оптические фильтры представляющие собой ряд дифракционных пространственных решеток, а также кольцевые интерферометры и резонаторы. Эти интегрально-оптические элементы способны изменять пространственные картинки световых сигналов,оставляя неизменным их световую энергию.

Вторая группа интегрально-оптических элементов позволяет управлять излучением путем изменения амплитуды, фазы или поляризации светового потока.

а)элемент модуляции по амплитуде б) элемент пересечения световых потоков

в) дефлектор

где 1 – подложка

2 - ????????? и планарные волноводы

3 – области связи пучков

4 – встречно штыревой преобразователь

5 – электроды управления

6 – световой пучок

7 – поверхностно акустическая волна

Интегрально оптические модуляторы амплитуды светового потока стремятся по схеме интерферометра Маха-Цандра путем разветвления волновода на основе электрооптических материалов. В каналах при подаче управляющих сигналов изменяются фазы световых волн, и при их новой интеграции на основе явления интерференции изменяется амплитуда световых волн.

В интегрально-оптических переключателях осуществляется управление перераспределение оптической энергии между волноводами. Это происходит благодаря изменению показателя преломления между волноводами под действием управляющего напряжения.

Работа интегрально-акустических модуляторов (дефлектор) основана на изменении направления распространения световых пучков в планарном волноводе в результате явления дифракции света фазовых неоднородностях. Фазовые неоднородности возникают в узлах и пучностях поверхностно акустической волны, возбуждаемой встречно штыревыми преобразователями.

Разработаны интегрально-оптические преобразователи частот, действие которых основано на излучении характеристик нелинейно-оптических материалов волноводов с последующим смещением световых частот.

Третья группа интегрально-оптических элементов предназначена для генерации, усиления и детектирования оптических сигналов.

Генерация оптических излучения производится в интегрально-оптическом волноводе в результате рекомбинации электро-дырочных пар в области p-n перехода полупроводникового излучателя (фотодиода, лазера).

В качестве оптического усилителя могут использоваться слоистые структуры с активной средой. В этой среде создается усиления интенсивной населенности энергетических уровней с последующим усилением проходящего излучения.

Детектирование излучения осуществляется с помощью фотоприемника в качестве которого используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Фотоприемники обычно сопрягаются с оптическими волноводами.

Интегрально-оптические схемы (ИОС)

Различают гибридные и монолитные ИОС.

Гибридные создают методом прецизионной сборки из отдельных интегрально-оптических элементов на общей подложке.

В ИОС различают электронную и фотонную часть, которые могут разделяться вертикально или горизонтально

К недостаткам вертикально-интегральных структур можно отнести не планарное расположение электронных соединений между фотонными и электрическими частями схемы. Это затрудняет изготовление сложных схем. Горизонтальная интеграция позволяет разнести в пространстве электрические и фотонные части и тем самым уменьшить паразитные связи.

При проектировании оптических интегральных схем нужно придерживаться трех принципов:

1. Сохранение объема сигнала . Объем сигнала определяется следующим соотношением

=cont

Где Т ­ длительность сигнала;

F ­ ширина спектра частоты;

­ динамический диапазон;

Рс ­ ширина спектра частоты;

Рм ­ мощность шума

2. Оптимальность структуры. Этот принцип выражает необратимость фотон-ě и ě-фотонного преобразования сигнала в одной системе. С этой точки фотоприемные звенья следует формировать в полупроводнике с меньшей шириной запрещенной зоны, чем излучающие звенья.

3. Информативность преобразования. Информативность ансамбля фотонов большей информативности потока ě, так как ě обладают зарядом и заданным спин-вектором, который зависит от внешнего электрических и магнитных полей фотон движется с постоянной скоростью и независимо от внешних от внешних электромагнитных полей.

Рассмотрим ИОС спектроанализатора.

1 – генератор света (лазер)

2 – градиентные линзы френеля

3 – фотодетектор

4 – волновод

5 – слой оксида цинка

6 – подложка внутренняя и внешняя

На кремниевой подложке нанесен слой оксида цинка, использующий в качестве электроакустического преобразователя. Сложный высокочастотный сигнал возбуждает поверхностную акустическую волну (ПАВ) и создает в передней фронтальной плоскости Фурье-линзы картину распределения пространственных частот. Эта картина движущихся со скоростью ПАВ. Световой пучок дифрагирует на определенном распределений пространственных частот. При этом частотному спектру радиосигнала соответствует Фурье-преобразование, которое фокусируется в плоскости линейки фотодетекторов. Подложка спектроанализатора изготовляется из кремния который не обладает пьезоэлектрическими свойствами, поэтому поверх него наносится акустическая пленка в виде окиси цинка. В то же время кремниевая подложка позволяет интегрировать элементы, изготовлять во внутренней структуре линзы Люмберга, Френеля, волноводы и прочие другие элементы. Подобные спектроанализаторы работают в полосе частот до 500 МГц с лазерным источником в ближнем ИК – диапазоне.

Изготовление монолитных ИОС сопряжено с рядом проблем. Среди главных следует выделить технологические:

- эпитаксальное наращивание слоев с нужными электролитическими свойствами, селективное травление и др.

Решив эти проблемы по точности изготовления в массовом производстве, появятся новые ИОС, превосходящие ИС со скоростью обработки информации, высокой помехоустойчивости.