хвилеводiв β мають бути однаковими. Крiм того, як в призмових так і в ґраткових елементах зв’язку, довжина взаємодiї вибирається досить ретельно.
Лекція 11. ІНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧНІ МОДУЛЯТОРИ, ДЕФЛЕКТОРИ ТА РОЗГАЛУЖУВАЧІ
Інтегрально-оптичні модулятори світла.
Інтегрально-оптичні перемикачі, сканери та дзеркала.
Канальні розгалужувачі та модулятори.
11.1.Інтегрально-оптичні модулятори світла
Робота інтегрально-оптичних модуляторів, дефлекторів і скануючих пристроїв побудована за тими самими фізичними принципами та ефектами, що і модулятори, дефлектори та скануючі пристрої загального призначення. Головна їх відмінність, як практично
122
всіх других інтегрально-оптичних елементів, пов’язана з каналізацією світла в тонких оптичних хвилеводах.
В інтегральній оптиці часто використовують електрооптичні ефекти. Для керування параметрами оптичного пучка в модуляторі, дія якого основана на лінійному ефекті Поккельса, на підкладку наноситься тонкий хвилевідний шар, а поверх нього – металевий електрод (через проміжний шар з низьким n для того, щоб уникнути затухання). Між цим електродом та омічним контактом на підкладці прикладається модулююча напруга U. Хвилевідний шар обов’язково має бути більш високоомним, щоб вся прикладена напруга спадала саме на ньому. При малій його товщині напруженість електричного поля E виявляється досить високою при помірних напругах. Наприклад, Е = 105 B/см, при товщині хвилевідного шару 1 мкм та напрузі 10 В. Викликану електричним полем зміна фази або поворот площини поляризації світла можна виявити відповідними детекторами. Виготовлення таких детекторів в інтегрально-оптичних пристроях пов’язано з певними труднощами. Тому значно зручніше використовувати модуляцію безпосередньо інтенсивності світла, для чого товщину хвилевідного шару та різницю показників заломлення хвилеводу nХ і підкладки nП підбирають такими, щоб при U = 0 (або при певному вихідному Uвих) хвилевід знаходився в припороговому стані для пропускання моди найнижчого порядку. При накладанні напруги U (або зміні її значення по відношенню до Uвих) показник заломлення nХ змінився і хвилевід почав пропускати світлову хвилю. У зв’язку з тим, що робочий об’єм модулятора малий, значення електричної потужності зменшується принаймні на порядок порівняно з об’ємними модуляторами, а в канальному модуляторі вона ще на порядок менша. У зв’язку з цим вимоги до матеріалів для інтегрально-оптичних модуляторів різко знижуються, а їх виготовлення стало більш простим та дешевим. Можуть використовуватись такі традиційні матеріали, як ніобат та танталат літію, багато інших матеріалів, прозорих у потрібній області спектра, наприклад, кварц, напівпровідникові сполуки та ін. Технологія виготовлення інтегрально-оптичних модуляторів, окрім створення металевих контактів, практично нічим не відрізняється від технології отримання смужкових хвилеводів. У напівпровідникових інтегрально-оптичних пристроях для модуляції світла використовують також ефект Франца – Келдиша. У цьому випадку припорогові умови поширення хвилевідної моди не використовуються, однак довжина хвилі модульованого світла має строго відпо-
123
відати порогу власного поглинання напівпровідника, який під дією сильного електричного поля зміщується, тобто стає можливим поглинання фотонів з енергією, меншою ніж ширина заборонної зони (в цьому і заключається ефект Франца – Келдиша). Енергетичний зсув порогу власного поглинання в довгохвильову область спектра описується виразом:
|
e2 |
η2 E 2 |
|
1 |
|
|
|
|
3 |
|
|||||
E = |
|
|
|
|
, |
(11.1) |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
mn |
|
|
|
|
|
де Е – ширина забороненої |
зони, e – заряд електрона, |
||||||
h = h / 2π – постійна Планка, |
mn |
– ефективна маса електрона, Е – |
|||||
напруженість електричного поля.
В об’ємних модуляторах ефект Франца – Келдиша практично не використовується, оскільки згідно (12.1) для того, щоб величина Е була помітною, необхідні дуже високі електричні напруги. В інтегрально-оптичних модуляторах шар, до якого прикладають напругу, тонкий, світло поширюється уздовж хвилевідного шару і проходить значний шлях у напівпровіднику з сильним полем і значення Е буде суттєвим. При цьому незначні зміни напруги викликають сильні зміни в поглинанні світлового пучка. Наприклад, для модулятора наосновіGaAs коефіцієнт поглинаннясвітлазмінюється від10 до104 см–1 при увімкненні напруги зміщення біля 10 В, на довжині 1мкм. Із цього випливає, що при довжині хвилевода 1 мм, пропускання хвилевода зміниться в e100 = 1043 разів. Електрична потужність, яка необхідна для такої глибокої модуляції, не перевищує 10–4 Вт/МГц.
11.2. Інтегрально-оптичні перемикачі, сканери та дзеркала
Для зміни просторового положення світлового пучка в інтегральній оптиці використовують багато способів та пристроїв, одним із яких є пристрій інтегрально-оптичного акустооптичного дефлектора, показаний на рис. 11.1.
U |
|
На підкладці із п’єзоелект- |
1 |
ричного кристала 1 утворені ме- |
|
2 |
талеві контакти в вигляді взає- |
|
|
|
мопроникаючих решіток 2, за до- |
3 |
|
помогою яких збуджують акусти- |
|
чні хвилі. Акустичні хвилі пере- |
|
|
|
|
2θθБ |
|
даються в нанесений на підкладку |
|
|
124 |
Рис. 11.1 – Будова акустооптичного дефлектора
хвилевідний шар 3. Поверхнева акустична хвиля (ПАХ) утворює в хвилевідному шарі періодичні сму-ги з меншими та більшими показниками заломлення. Попадаючи в зо-ну поширення ПАХ, світловий пучок дифрагує на них. Якщо кут падіння задовольняє умові Вульфа – Брегга, світлова енергія практично повністю перекачується в дифрагований пучок, тобто початковий напрямок поширення пучка зміню-
ється на кут 2θБ . При зміні частоти ПАХ, кут відхилення можна
змінювати в деяких межах. Умова Вульфа – Брегга не порушується за рахунок розбіжності світлового пучка і акустичної хвилі. Досвід показує, що число різних положень світлового пучка на виході може досягати 1000, тобто такий прист-рій можна використовувати не тільки як оптичний перемикач, але і як сканер з досить непоганими характеристиками.
На дифракційних явищах може базуватися дія електрооптичних дефлекторів в інтегрально-оптичному виконанні. На поверхню
|
1 |
планарного хвилеводу (рис. 11.2) на- |
|
носять тонкі електроди гребінчастої |
|
2 |
|
форми, але тепер вже до них прикла- |
|
|
дають не змінну напругу, а постійну. |
2θθБ |
3 |
При цьому в електрооптичному мате- |
|
ріалі хвилевідного шару виникає мо- |
|
U |
|
дуляція показника заломлення з періо- |
|
дом, який дорівнює подвійній відстані |
|
|
|
|
|
|
між сусідніми електродними смужка- |
Рис. 11.2 – Будова |
|
ми. Для світлового пучка ця область |
електрооптичногодефлектора |
являє собою ґратки, подібні тим, які |
|
|
|
створюються акустичною хвилею, але |
в цьому випадку вони нерухомі. Промінь світла, направлений під кутом Брегга, відхиляється на кут 2θБ по відношенню до вхідного
променя. Якщо U = 0, напрямок пучка не змінюється. Такий простий у виготовленні дефлектор не дозволяє змінювати напрямок променя неперервно, атількидискретно.
Робота інтегрально-оптичного перемикача може основуватися на створенні умов для повного внутрішнього відбивання в самому хвилевідному шарі (рис. 11.3). (на рис. 11.1 та 11.2: 1 – підкладка,
|
|
2 – металеві електроди, 3 – хвилевідний |
|
|
шар; на рис. 11.3: 1 – підкладка, 2 – хви- |
|
|
левідний шар, 3 – металеві електроди). |
|
2 |
На поверхні планарного хвиле- |
|
воду створюють пару паралельних ме- |
|
θ |
1 |
|
|
|
125 |
U
Рис. 11.3 – Інтегральнооптичний перемикач
талевих електродів, до яких вмикають керуючу напругу U. Матеріал хвилевідного шару має бути таким, щоб під дією електричного поля, діючого паралельно площині хвилеводу, його показник заломлення в проміжку між електродами зменшувався. Це може бути, наприклад, структура, створена дифузією титану в підкладку із ніобату літію. При відстані між електродами 10 мкм і напрузі в декілька десятків вольт показник заломлення світла зменшується настільки, що для світлового пучка виконується умова повного внут-рішнього відбивання від оптично менш щільного середовища між електродами. Якщо U = 0, пучок проходить область між електродами, оскільки не виконується умова повного внутрішнього відбивання. Які-небудь обмеження, подібні умові Вульфа – Брегга, в цьому випадку не накладаються. Якщо фотодетектор розміщений так, що на нього падає відхилений або невідхилений промінь, то такі дефлек-тори можуть застосовуватись і як модулятори.
Напрямок поширення світлового пучка в оптичному хвилеводі можна змінити на протилежний, якщо на деякій ділянці створити дифракційні ґратки з періодом, рівним половині довжини хвилі,
що поширюється в хвилеводі. У цьому випадку θБ = 90o і умовою дифракції є:
2d = λ . |
(11.3) |
126
У цьому випадку кут дифракції складає 180o. Таким чином, ділянка хвилеводу з дифракційними ґратками по суті є частотно-селек- тивним дзеркалом для випромінювання з довжиною хвилі λ = 2d (а також з довжиною хвилі в два, три і т. д. разів меншою, що відповідає більш високим порядкам дифракції). Для випромінювання, яке проходить через ділянку з дифракційними ґратками, цю ділянку можна розглядати як фільтр для вказаних довжин хвиль. Спектральна ширина відбитого випромінювання d до довжини дифракційної ділянки може складатидекількаангстрем, атоідесятічасткиангстрема(1Å=10–10 м).
Для формування оптичних пучків з потрібним фазовим фронтом в інтегрально-оптичних схемах застосовуються спеціальні фокусуючі елементи (лінзи). Їх дія базується на залежності ефективного показника заломлення планарного хвилеводу від його товщини та властивостей навколишніх матеріалів. Ділянка хвилеводу з нанесеною на нього плівкою з сферичним контуром аналогічна об’ємній збірний
г
а
б |
д |
в
е
Рис. 11.4 – Фокусуючі інтегрально-оптичні лінзи: а – знакладенимшаром ізсферичнимконтуром; б– Люнберга; в– геодезична; г – дифракційна планарна лінза Френеля; д, е – бреггівського типу
126