устройства функциональной электроники
.pdf
Магнитооптический эффект Фарадея – это изменение n под действием магнитного поля, вызывающее поворот плоскости поляризации по мере прохождения луча по кристаллу.
Структура электрооптического модулятора приведена на рис 9.16. Два кристалла необходимы для температурной компенсации. Анализатор служит для преобразования изменения фазы в интенсивность излучения. Возможно осуществить модуляцию луча изменением тока Iпр. Граничная частота представляемого модулятора составляет (108-109) Гц; недостаток – высокое
Uупр. (сотни В, кВ).
Модулятор на основе магнитооптического эффекта представлен на рис 9.17. здесь активная среда – феррит-гранат (монокристалл). Изменяется плоскость поляризации под действием Uупр. Граничная частота модулирующего сигнала – 104 Гц.
Можно использовать в качестве модулятора обратносмещенный p-n- переход из GaAs, GaP. Здесь Uупр – единицы В.
В дефлекторах используемые электрооптические и акустооптические эффекты. Структура электрооптического дефлектора показана на рис. 9.18. каждый каскад состоит из электрооптического модулятора – поляризатора двулучепреломляющего кристалла. С помощью модулятора обеспечивается плавное изменение угла поворота плоскости поляризации по заданному закону. В двулучепреломляющем кристалле излучение раздваивается. Можно получить N=2i дискретных положений луча в пространстве на дефлекторе, i- число каскадов в дефлекторе.
111
Акустооптический дефлектор приведены на рис. 9.19. Принцип действия такого дефлектора основан на том, что при прохождении звуковой волны в активной среде - пьезокристалле меняется показатель преломления
света n. При попадании луча лазера в пьезокристалл происходит изменение его положения в пространстве под действием Uупр. Пьезорезонатор может использовать и поверхностные акустические волны. Тогда он располагается на поверхности, нод которой проходит луч.
9.5. Волоконные световоды и кабели
Передача оптической энергии по волоконно-оптическим световодам (ВОС) обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Структура ВОС показана на рис. 9.20. Пусть материал внутренней жилы имеет показатель преломления n1, а материал внешнего слоя n2. Пусть n1>n2. Для лазерного луча, вводимого под малым углом по отношению к оси световода, выполняется условие отражения: при падении излучения на
112
границу раздела двух сред вся энергия отражается внутрь жилы световода. Максимальный угол падения луча Y0 находится из соотношения:
При Y>Y0 луч не только отражается, но и преломляется, при этом часть оптического излучения уходит из светодиода.
Если n меняется плавно (рис.9.21) от центра светодиода к его границе, то также осуществляется режим полного внутреннего отражения. Такие световоды называются селфоками, так как луч фокусируется вдоль оси световода. Световод работает как фокусирующая линза (self-сам, focusфокус). Селфоки – градиентные световоды. Затухание сигнала
.
Для современных световодов B = 0.5 дБ/км (λ = 1,2 мкм). Световод длиной l = 1 км прозрачнее вымытого оконного стекла. Материалы
светодиодов: оксидные стекла (силикатные, кварцевые, германатные), бескислородные многокомпонентные стекла, полимерные материалы, фториды Zn, хальногенидные стекла, щелочно-галлоидные кристаллы CsBr, KBr, AgBr, TiBr, TiCl, ZnCl2, галоидные кристаллы TiBr – TiI, TiBr – TiCl, галогениды KCl, CsI.
Потери световой энергии связанны с наличием в материале световода примесей – ионов Cu, Cr, Co, OH. Особенно вредны ионы Co. К рассеиванию энергии приводят пузырьки, технологические дефекты.
Оптические кабели кроме световодов содержат упрочняющий элемент, защитную оболочку (рис.9.22).
113
9.6. Коммутационные и фокусирующие элементы
Оптические соединители делятся на одно и многоволоконные. Одноволоконный соединитель показан на рис.9.23, а многоволоконный
– на рис.9.24. Известны и матричные соединители. Основной параметр соединителей - вносимые потери, достигающие 1 дБ.
Оптические разветвители разветвляют луч лазера на несколько лучей. Конструкции разветвителей приведены на рис.9.25-9.28. В зависимости от длины волны входного луча выходной сигнал выходит в разные выходы, если их несколько. Применяются также разветвители с механическим переключением световодов. Известны также оптические переключатели, использующие электрооптический эффект, акустический или магнитно-оптический эффекты. Переключатель на основе электрооптического эффекта показан на рис.9.29. Здесь луч из входов 1 или 2, в зависимости от напряжения между металлическими электродами, попадает в выходы 3 или 4. Напряжение управления – несколько вольт, время переключения – около 1 мкс.
Фокусируют луч лазера с помощью выпуклых линз, градиентных и дифракционных линз. Требования к этим линзам отличаются от требований к линзам, применяемым в микроскопах, фотоаппаратах. Главное требование – малые размеры и очень короткие фокусные расстояния. Широко применяются градиентные линзы, у которых показатель преломления уменьшается от центра линзы к ее периферии. Изменение показателя преломления получается облучением материала линзы нейтронами, внедрением ионов, осажденных из паров с управляемой поляризацией и т.д. Структура градиентной линзы не отличается от структуры волоконного световода (селфока), но диаметр линзы
больше ( ). Градиентные стержневые линзы могут быть многоша-
говыми, одношаговыми, полушаговыми, четвертьшаговыми в зависимости от соотношения длины линз и периода синусоидальной траектории луча (рис.9.30). Наиболее широко применяется четвертьшаговая линза. Такие линзы используются в разъемных соединителях (рис.9.31), аттенюаторах, переключателях. Планарная градиентная линза показана на рис.9.32. Диаметр такой линзы – от единиц до десятков микрометров.
9.7. Элементы интегральной оптики
Интегральная оптика представляет собой раздел оптоэлектроники, связанный с лазерным излучением, его модуляцией, фокусировкой и распространением в пленочных планарных световодах, его детектированием в планарных фоточувствительных элементах. Интегральная оптика связана с разработкой оптоэлектронных микросхем.
В интегральной оптике используются планарные трехмерные диэлектрические световоды. Их основу составляют тонкие диэлектрические слои с низкими потерями для света. Форма таких пленок одного порядка с длиной волны излучения, поэтому предъявляются высокие требования к точности воспроизводства их размеров. Типичные толщины диэлектрических
114
микросветоводов лежит в пределах (0,3 – 3) мкм при ширине (1 – 5) мкм.
115
Допуски – 0,5 нм. Микросветоводы изготавливают из стекол, полимеров, ферритов, пьезоэлектриков, керамики, полупроводников.
Планарный оптический световод состоит из двух слоев с низкими показателями преломления и расположенной между ними световодной областью с высоким показателем преломления. По характеру изменения показателя преломления в поперечной плоскости оптические световоды делятся на световоды со ступенчатым и плавным изменением показателя преломления. Планарный световод на подложке показан на рис.9.33. В трехмерных световодах активно используются подложки. Структуры трехмерных световодов приведены на рис.9.34. Наиболее перспективны структуры е) – и). Эти световоды представляют собой линию связи в пределах интегральной схемы. Ввод и вывод излучения требует оптического согласования между контактирующими средами – световодами, лазерами, фотоприемниками.
Широко распространенным методом изготовления планарных и
116
трехмерных световодов является ионное легирование материалов. Система легируется ионами Ag, Tl, Pb из расплавов солей, ионами H, He, Li, Ar, P, N, В методом имплантации. Можно использовать тонкопленочную технологию, напыляя окислы, нитриды, осаждая из газовой фазы, химическим осаждением, термическим окислением, анодированием в плазме разряда. Из кремний-органических соединений перспективны винилтриметилсилан (BTMC), гексаметилдисилоксан (ГМДС), их смесей. Из активных диэлектриков используются LiNbO3, LiTaO3. Световоды в LiNbO3 получают диффузией примесей Ti, Ni, V, W, Fe, Cr (1100 0C). LiNbO3 обладает большей твердостью, легче полируется.
Интегральные световоды получаются также из полупроводниковых соединений типа AIIIBV и их твердых растворов. Они удобны тем, что на их основе получаются и лазеры, и фотоприемники. Для получения световодов используются методы эпитаксиального выращивания, диффузии и ионной имплантации. Пример световода из GaAs показан на рис.9.35. В подложке изолирующего n-GaAs ориентации (110) вытравлена канавка шириной и глубиной 1 мкм. Защитной маской служит пленка Si3N4. За счет сильного анизотропного роста при хлоридной газофазовой эпитаксии волноводный слой имеет форму призмы. Перспективными материалами являются InGaAs/InP, InGaAsP/InP (рис.9.36). В плане геометрия световодных ответвителей и разветвителей имеет вид, показанный на рис.9.37.
117
В качестве фокусирующих элементов используются линзы Люнеберга, геодезические линзы, дифракционные линзы, линзы Брегга.
Известно, что изменение толщины d или показателя преломления световодного слоя вызывает изменение коэффициента фазового замедления волны. Таким образом, если в ограниченном объеме световодного слоя задать локальное изменение d или n, то в световод оказывается встроенным оптический фокусирующий элемент – планарная линза. Но такие линзы не обладают высоким качеством, потому используются и другие линзы. Геометрия линзы Люнеберга приведена на рис.9.38. Линза представляет собой подложку с показателем преломления n4, на которую последовательно нанесены два световодных-волноводных слоя с различными показателями преломления n2 и n3. Верхний слой имеет переменный по толщине профиль, создающий градиент эффективного показателя преломления. Фокусирующая способность
118
линзы тем выше, чем больше разность показателей n2 и n3. Верхний слой n2 имеет круговую симметрию. Такие линзы – из Nb2O5, ZnS, Ta2O5 (n = (2-3)), стекла (n = 1,5). Процесс изготовления линз Люнеберга трудоемок, их нужно рассчитывать с высокой точностью.
Геофизическая линза показана на рис.9.39. Она представляет собой углубление в подложке. Световодный слой формируется диффузией и имплантацией примесей в активную среду. Фокусное расстояние пропорционально размеру R0. Эти линзы широко применяются.
Конструкция дифракционной линзы Френенля приведена на рис.9.40. Луч распространяется перпендикулярно поперечной оси линзы. В линзе Брегга используется дифракционная решетка с изменяющимся шагом (рис.9.41). Луч лазера падает на решетку под определенным углом. Сфокусированный луч также направлен под углом к решетке. Каждая из линз имеет свои оптимальные области применения.
Планарные модуляторы света также используют эффекты Поккельса, Керра, акустический эффект. Различают модуляторы на связанных волноводах с туннельной перекачкой света и модуляторы интерференционного типа. Последние проще и имеют рекордную полосу частот (до 17 ГГц). Модулятор на эффекте Поккельса приведен на рис.9.42. Под действием электрического поля свет изменяет фазу
.
Конструкция модулятора на связанных волноводах приведена на рис.9.43. Здесь волноводы расположены на малом расстоянии друг от друга. При возбуждении одного из них светом в процессе распространения излучения происходит перераспределение световой энергии между световодами, которое зависит от прикладываемого к световодам напряжения.
Модулятор на основе интерферометра Маха – Цендера показан на рис.9.44. Входной сигнал делится пополам и, пройдя различные плечи интерферометра, вновь суммируется на выходе с учетом фазовых сдвигов. Электрическое поле электродов ведет к тому, что на выходе сигналы могут прийти в фазе или противофазе. Чтобы он пришел в фазе, плечи должны быть строго симметричны.
При использовании в качестве световодов полупроводниковых материалов модуляторы снабжены гофрированными световодами (рис.9.45).
Структура лазеров и фотоприемников встраивается в планарные конструкции световодов. Лазеры и фотоприемники – это обычно мезоструктуры на основе полупроводников типа AIIIBV и их твердых растворов. В интегральной оптике на общей подложке размещают и электронные схемы обработки информации. Например, в датчике дыма сенсором служат световоды, а информация обрабатывается микропроцессором, расположенным на той же подложке.
119
120