3.2. Потери в оптических волноводах. Методы изготовления оптических волноводов

3.2.1. Потери в оптических волноводах обусловлены поглощением, рассеянием в объеме и на поверхности ОВ, а также излучением в подложку и покровный слой.

, (3.8)

где – характеризует релеевские потери (за счет рассеяния на неоднородностях материала ОВ и шероховатости границы); – потери на излучение в подложку и покровный слой; – потери линии (объемные - в материале ОВ); – потери за счет связи с другими ОВ (паразитной или специальной).

В ОВ преобладают релеевские потери на шероховатости границ, так как на 1 см приходится до 10³ отражений

,Где – усредненная глубина шероховатостей.

На практике необходимо, чтобы .

Потери на излучение несущественны для прямолинейных ОВ, а для изогнутых

,

где – радиус кривизны полоскового ОВ; – аппроксимирующие коэффициенты, резко увеличивающиеся при уменьшении . Для типичного значения значение (обычно ).

Объемные потери для стеклообразных ОВ пренебрежимо малы и должны увеличиваться только в ПП, если энергия фотонов hf превышает ширину запрещенной зоны . В этом случае коэффициент поглощения определяется межзонным поглощением и может достигать . Поэтому необходимо, чтобы , когда межзонное поглощение невозможно. Однако, в этом случае возрастает поглощение свободными носителями заряда (внутризонное)

,

где – константа; – концентрация носителей. Например, для GaAs и получение малого требует , а в этом случае плохо реализуется лазерный эффект . На практике с учетом оптических и акустических фононов и примесей .

Потери возникают за счёт связи с соседними ОВ (п.р.3.3).

Приемлемым для ОВ является коэффициент поглощения .

3.2.2. Методы изготовления планарных и полосковых ов заимствованы из технологии пп электроники. Их можно условно разделить на три категории:

- нанесение пленок на подложку ступенчатых ОВ возможно окунанием в раствор, центрифугированием, напылением (аморфные пленки) и эпитаксиальным наращиванием (монокристаллические пленки). При этом тип кристаллической решетки и постоянные решеток должны совпадать;

- создание слоя на подложке градиентных ОВ возможно легированием из потока газа или нанесенного слоя и погружение в расплавленный электролит;

- имплантация ионов введением свободных носителей при облучении

протонами или получение выпрямляющего контакта (слоя Шоттки) или перехода. Прилегающий к нему слой будет обеднен свободными носителями, что приводит к увеличению коэффициента преломления. Нужная конфигурация ОВ обеспечивается фотолитографией.

Следующая лекция

3.3. Связанные волны в оптических волноводах

3.3.1. Двухканальный направленный ответвитель (НО) является простейшим устройством, использующим связь между ОВ за счет перекрытия ”хвостов” мод соседних полосковых ОВ.

При более общем подходе оказывается, что и связь мод и связь соседних ОВ можно рассматривать одними и теми же приемами на основе связанных волн. В общем случае необходимо учитывать все моды ОВ, в том числе и моды излучения, образующие полную ортогональную систему. На практике чаще ограничиваются двухмодовым приближением.

а б

Рис.3.5. Двухканальный направленный ответвитель

На рис.3.5,а показан вариант конструкции двухканального направленного ответвителя на основе двух параллельных внедренных полосковых ОВ с поперечными распределениями для основной моды , связь при этом осуществляется за счет перекрытия “хвостов” распределений и токов поляризации диэлектрика. Для когерентной перекачки энергии необходимо, чтобы выполнялось и необходимые фазовые соотношения. В общем случае это достигается выбором направления распространения падающей волны, а в примере рисунка – полной симметрией устройства.

Эффективность связи двух интегрально-оптических элементов характеризуется коэффициентом связи

, (3.9)

где – коэффициенты поглощения и фазы в поперечном направлении (вдоль ); - ширина полоскового ОВ; – расстояние между ОВ; – коэффициент фазы вдоль оси для моды .

Решение системы дифференциальных уравнений при ; имеет вид

где – эффективный коэффициент связи с учетом разных фазовых скоростей; – коэффициент распространения вдоль оси ; – коэффициент поглощения по мощности вдоль ; – комплексные амплитуды полей.

Из этих решений видно, что при в ОВ 2 фаза отстает от фазы в ОВ 1, а при фаза ОВ 2 опережает фазу ОВ 1.

В оптоэлектронике чаще оперируют мощностями (интенсивностями)

(3.10)

При условии фазового синхронизма () вся мощность ответвляется из ОВ 1 в ОВ 2 при условии

(3.11)

где – критическая длина связи. При условии

(3.12)

вся энергия ответвляется обратно в ОВ 1 (рис3.5,б).

В общем случае возможно три варианта связи:

1. – условие слабой (паразитной) связи; .

2. – условие сильной связи ; ; при

3. – условие фазового синхронизма, которое трудно реализовать на практике из-за необходимости точной идентичности ОВ, поэтому производится подстройка ₁ и ₂ при помощи электрооптического эффекта (см. п.р. 7.2).

Двухканальные ответвители являются наиболее распространенными элементами ИО. Их используют в делителях мощности входных и выходных элементах связи и др. пассивных элементах. Но наиболее важным является применение их для модуляции и переключения с использованием электрического управления коэффициентом преломления, а следовательно и при помощи электрооптического эффекта.