роздiлу хвилеводу не дуже близький до критичного кута. У мiсцях згинiв та закручень хвилеводiв випромiнювання в пiдкладку або покривний шар може проходити i тим інтенсивніше, чим бiльшi згини.

Метод нанесення тонких дiелектричних плiвок на дзеркальну поверхню є найефективнiшим та найдешевшим. Так можна отримати досить високої якостi хвилеводи iз фоторезисту, епоксидної смоли, полiуретану, полiметилметакрилату та iнших матерiалiв. Найбiльш досконалi дiелектричнi плiвки (з досить добрим контролем товщини) можна створювати шляхом нанесення матерiалу в вакуумнiй камерi методом термiчного, катодного або iонно-променевого розпорошення, бомбардуванням iонами, за допомогою реактивного напилення та iншими способами. Всi цi методи дозволяють наносити на пiдкладку зі скла, кварцу або iншого матерiалу аморфнi світлопровідні шари. Унiверсальним методом створення монокристалiчних шарiв є епітаксія, особливо сполуки A3B5, яка використовується i в технологiях лазерiв та свiтловодiв.

Шар свiтловоду (рис. 10.5, в) можна створити шляхом введення домiшок, якi приводять до збiльшення показника заломлення, тобто використовуючи метод мікроелектронної технології. Одним iз найбiльш поширених методiв легування є дифузiя iз потоку газу або iз речовини, нанесеної на поверхню, хоча й iншi способи в окремих випадках також є ефективними.

Хвилевідний шар можна отримати, якщо на поверхню напiвпровiдника нанести метал (контакт Шотткi), у напiвпровiднику в приконтактному шарi зменшується кiлькiсть вiльних носiїв, що призводить до збiльшення показника заломлення. Аналогiчний ефект спостерігається, якщо в приповерхневому шарі напiвпровiдника створити p–n-перехiд.

Для створення смужкових хвилеводiв з потрiбною конфiгурацiєю використовують добре випробуванi в мiкроелектроннiй технології методи лiтографiї.

10.3. Способи введення та виведення випромiнювання в iнтегрально-оптичних хвилеводах

Труднощi введення випромiнювання в iнтегрально-оптичний хвилевід обумовленi перш за все тим, що пучок випромiнювання всiх джерел, в тому числi i лазерiв, має значно бiльшу ширину, нiж товщину (i в багатьох випадках i ширину) свiтлопровiдного шару. Проблема ще бiльше ускладнюється ефектами вiдбивання, дискретнiстю мод та iншими ефектами. Виходячи iз всiх цих ефектiв, за-

117

пропонованi методи введення (виведення) інформації, якi є достатньо ефективними.

Пристрої, якi призначенi для введення та виведення інформації з свiтловодного елемента називають елементами зв’язку. Принципово найбiльш простим способом введення випромiнювання в плоский хвилевід є його безпосереднє фокусування на торець свiтлопровiдного шару за допомогою лiнзи (рис. 10.6, а). Проте такий спосiб введення випромiнювання вимагає субмікронного юстирування, що можливо практично лише в лабораторних умовах, i в основному, при застосуваннi лазерних джерел випромiнювання. Якщо ж джерелом випромiнювання є напiвпровiдниковий лазер, то можна без лiнзи стикувати його з хвилевідною структурою (рис. 10.6, б).

Покривнийшар

Підкладка

а

Покривнийшар

Підкладка

б

Рис. 10.6 – Введення випромінювання в інтегрально-оптичний хвилевід

Як правило, пiсля точного юстирування лазер жорстко скрiплюють з хвилевідною структурою за допомогою оптичного клею, епоксидної смоли тощо. Проте, всi запобіжні заходи не дають ефекту в роботі такої схеми i торцеве введення випромiнювання використовують дуже рiдко.

10.4.Елементи введення та виведення випромiнювання за допомогою призми та дифракційної ґратки

Проблема введення пучка в хвилевід малих лiнiйних розмiрiв поперечного перерiзу вирішується, якщо випромiнювання вводити не через торець, а через зовнiшню поверхню хвилеводу. Однак, у цьому випадку є iншi принциповi труднощi. В основному всi труднощi долаються, якщо використати для введення випромi-

118

нювання в свiтловодний шар елементи зв’язку у виглядi призми. Для того, щоб паралельний пучок свiтла, який вводиться в свiтловодний шар через бокову поверхню, не гасив хвилевідну моду (за рахунок інтерференції), необхiдно, щоб виконувалась умова рiвностi ефективних показникiв заломлення:

З умови (10.16) випливає, що nX sinθβ = nеф повинен бути

меншим нiж n0 (sinθ0 <1), що суперечить умовi, nеф > nП. Щоб розв’язати це протирiччя, можна застосувати ввiд через призму з бiльшим показником заломлення нiж в хвилевідному середовищi, оскільки в покривному шарi показник заломлення має бути меншим нiж у хвилевідному середовищi. При цьому має бути невелика щiлина мiж призмою та хвилевідною смужкою. Призму виготовляють, наприклад, з германію (n = 4,0), фосфіду галiю (n = 3,4), рутилу (n = 2,5). На призму лазерний пучок спрямовують так, щоб кут падiння на основу перебільшував кут внутрішнього вiдбивання (рис. 10.7).

При цьому промiнь проникає за поверхню (порушення закону повного внутрiшнього вiдбивання, порiвняйте проникнення світлової енергії в друге середовище в ефекті Гуса – Хенхена), а при товщинi Х щiлини мiж призмою та хвилеводом, меншою нiж довжина хвилi свiтла, достатньо значна частина свiтла проникає в хвилевід. Це так званий оптичний тунельний ефект. Змiнюючи кут падiння на призму можна в хвилевід вводити моди потрiбного порядку.

призма

покривний шар

світловодний (хвилеводний) шар

підкладка

підложка

Рис. 10.7 – Призмовийелементзв’язкусвітловодногопроменязхвилеводом Рис. 10.7 – Призмовийелементзв’язкусвітловодногопроменязхвилеводом

Щоб зв’язок призми з хвилеводом був ефективним, товщина щiлини має складати десятi частки вiд довжини хвилi λ, а ширина

119

оптичного пучка, а значить i довжина основи призми такою, щоб хвилевідна мода зробила уздовж основи призми сотню зигзагiв. Важливо, щоб верхнiй край пучка попадав у кут призми (рис. 10.6). Якщо пучок зсунутий вправо, то частина енергії не попадає в хвилевід, а якщо влiво – то частина енергії повертається назад у призму.

Останнiй момент підкреслює можливiсть за допомогою призми виводити випромiнювання iз хвилеводу. Пристрiй елемента зв’язку у виглядi призми суперечить концепції інтегральної оптики, згiдно якої всi елемента мають бути плiвковими та виготовлятись методами мiкроелектронiки. Планарним та бiльш технологiчним є елемент зв’язку у видi дифракцiйної ґратки. Вiн являє собою серiю близько розмiщених штрихiв на поверхнi хвилевідного шару. Вiдстань мiж штрихами має бути порядка довжини хвилi, яка вводиться

в хвилевідний шар. Якщо при кутi падiння свiтлового пучка θ0 (кут мiж нормаллю до поверхнi та променем) рiзниця фаз мiж сусiднiми

штрихами рiвна 2π, то в хвилеводi збуджується мода. Тобто необхiдно, щоб виконувалась умова:

де m = 0, +1, –1, +2, –2.

Довжина дiлянки з штрихами повинна бути не менша нiж ширина пучка. Ефективнiсть введення випромiнювання такого елемента зв’язку складає бiля 30 %, хоча теоретично вона має бути близькою до 100 %. Такi ґраткові елементи зв`язку є складовою частиною хвилевідної структури i знімають проблеми оптичного та механiчного контактiв. Для створення близько розмiщених штрихiв їх або наносять на поверхню хвилеводу, або витравлюють у самому хвилеводi, користуючись методами фотолiтографiї.

Очевидно, що ґратковий елемент зв’язку можна використовувати для виведення свiтла з хвилевідного шару, при цьому рiзним модам вiдповiдають рiзнi кути виходу.

10.5. Оптичний зв’язок плоских хвилеводiв з пiдкладкою та мiж собою

120

Виведення випромiнювання iз хвилеводу в пiдкладку можна проводити використовуючи клиноподібний кiнець хвилевідного ша-

ру (рис. 10.8).

Рис. 10.8 – Виведення випромінювання в підкладку крізь звужений край хвилеводу

Як тiльки кут падiння стане менше кута θП (критичного кута повного внутрiшнього вiдбивання) почнеться заломлення хвилевідної моди в підкладку (у покривному шарі це заломлення починається пізніше, оскільки nП значно бiльше n0). Ефективнiсть виведення енергії у пiдкладку складає 50 – 70 %.

Для передачi світлової енергiї iз одного свiтловода в iнший, торцеве з’єднання, не дивлячись на його простоту, в iнтегральнооптичних пристроях застосовують вiдносно рiдко. Спосiб передачi світлової енергії з одного планарного свiтловоду в iнший показано на рис. 10.9.

Мiж хвилеводами в областi перекриття наносять тонкий шар матерiалу з показником заломлення n0, причому n0 < nX. За рахунок накладання хвилеводiв один на одного через шар з меншим показником заломлення n0 свiтло проходить завдяки оптичному тунельному ефекту.

Рис. 10.9 – Оптичний зв’язок між накладеними один на одний хвилеводами

Для ефективної передачi енергії промiжний шар має бути тонким та однорiдним за товщиною, а константи поширення цих

121