Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 85
Текст из файла (страница 85)
17.9, б построена зависимость мощности от зазора Р (а) передаваемой в волМатериал волновода определяет рабочую область спектра излучения, пассивную или активную функцию интегрально-оптического элемента и модовую структуру поля несущей волны. При выборе материала волновода и подложки необходимо решать одновременно два аспекпроблемы: найти оптимальную монокристаллическую или аморфную структуру волновода и соответственно диэлектрик или полупроводник — материал пары «пленка — подложка». К материалам предъявляются следующие требования: прозрачность, оптическая однородность, химическая устойчивость и механическая прочность для получения поверхностей с высокой чистотой обработки.
Однако немаловажным требованием является обеспечение малых оптических потерь в волноводе (менее 1 дБ/см). Перечислим некоторые материалы, пригодные для устройств интегральной оптики [9, 27). Арсенид галлия (ОаАз) — перспективный материал, так как он пол ча служит основой для полупроводниковых лазеров н дает воз ж мо ность ного с й у ть собственно интеграцию источника, канала связи и фо топриемустройства на единой подложке.
Тем не менее технология полу- ззв (17.18) /.„р — — я/й„мощность Р, полностью передается в волновод 2; /., это значение критической длины связи. Например, если необ пе е ать 0 «4 н ходимо 2А г г«З р д 9,4 мощнооти в волновод 2, то нужно выполнить уело [) ( /3 для разности фаз между модами в волноводах 1 и 2 [27); условие в) условие фазового синхронизма с»р = 0 приводит к уравнениям волноводной связи чения монокристаллических ОаАз-пленок значительной площади (более 1 см') весьма сложная [20, 24, 27). Для планарных волноводов и элементов, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн, перопективным материалом являетоя халькогенидное стекло на основе бинарной сиотемы Аз + Б. Аморфные пленки образуют методом высокочастотного раопыления стекла в вакууме.
Стекло как материал со сравнительно малыми потерями ( 1 дБ/см) имеет такие преимущества: бесконечное разнообразие сочетаний волноводных параметров, достигаемое только изменением химического состава компонентов стекла, *относительная проотота технологии получения волноводных етруктур и элементов различных конфигураций, Волноводные структуры о малыми потерями получают на основе органических материалов: полиметилметакрилатана подложке из плавленного кварца. Технологически проще образовать аморфные пленки, чем монокрнсталлические, тем более, что оптичеокие потери в них меньше 1 дБ/ам. Широко применяются для подложек кривталлы [.!ХЬО„пригодные как для создания волноводов, так и для реализации электро- и акустооптических элементов интегральной оптики.
Диффузией Т! в [.)МЬО» получены волноводы с потерями — 0,2 дБ/ем [27). Действенным методом снижения потерь в стеклянных волноводных структурах является лазерный отжиг. При облучении волновода лазером на СО, оо средней плотностью мощности 10' Вт/ом' потери оннжаютея до значений 0,01...0,2 дБ/см. Технология получения планарных однородных волноводов основывается на тонкопленочной технологии микроэлектроники: термическом и электронно-лучевом испарении в вакууме, высокочастотном распылении [9, 27) и т. д.
Волноводные градиентные структуры создаютоя методами ионного облучения, твердотельной диффузии, ионообменной диффузии из равплавов солей. Линзы и призмы. Для формирования и концентрации оптичеакого сигнала в интегрально-оптических устройствах изготавливаюг специальные тонкопленочные двухмерные аналоги типовых объемных линз н призм [9). Если пользоваться понятием «эффективный волноводный показатель преломления» Аг» (17.14), то при габаритных расчетах и проектировании интегрально-оптических элементов можно применять классические формулы геометрической оптики [4).
Тонкопленочные линзы должны иметь плавное изменение параметров таким образом, чтобы при прохождении через них излучения различные части пучка проходили бы различные оптические пути. На практике в основном используются два метода получения интегрально- оптических линз и призм: ступенчатое изменение толщины пленки (рис. 17.10, а) либо осаждение через маски на подложку гибридной волноводной структуры. Например, гибридная структура из Та,О„ нанесенная на локальный островок стеклянной подложки о диффузным планарным волноводом, дает возможновть еформировать двухмерную линзу.
Аналогичные методы применяютея и для получения проотранственных селекторов мод и делителей мощности излучения [9!. Иепотмиоеский 'бералр йо (обратное Шо тки (ел Т =й/л, Рис. 17.10. Интегрально-оптические элементы (а) и различные типы элементов связи (б...д): I — планарнма волновод; т — лннзв; 3 — прнзма; 4 — светоделнтель (селектор мод1; з подложка; 1 — екзкуское расстоннне линам Элементы ввода — вывода. Для возбуждения оптических волноводов и канализации в них лазерного излучения служат специальные устройства — элементы связи (элементы ввода — вывода). В интегральной оптике в основном используются призменные (рис.
17.10, б), торцевые (поперечные) (рис. !7.10, е) элементы связи, направленные ответвители, тонкопленочный волновод с суживающимся краем (рис. 17.10, г) и решеточные (рис. 17.10, д) элементы связи 19„27). В настоящее время наиболее удовлетворительными устройствами ввода — вывода являются решеточные элементы связи (см. рис. 17.10) — периодические структуры на диэлектриках синусоидальной либо прямоугольной формы. Решетка элемента ввода — вывода изготавливается в виде дифракционной решетки либо в виде голограммы на пленке фоторезиста, на которой экспонируется простейшая интерференционная картина от двух противоположно бегущих волн, полученных светоделением и последующим совмещением опорного и объектного лазерных пучков. Применяются решетки, полученные травлением.
360 оминеский «аята кт д а Рис. 17.11, Схемы ннтегрально-оптических одноволиоводиого (а) и двухканального интерференциониого (б) модуляторов излучения Существенный недостаток решеточного элемента связи — большие потери энергии. Для увеличения эффективности связи до 70 % с обратной стороны подложки с решеточным элементом ввода — вывода конструктивно устанавливают небольшую призму. Однако при этом нарушается главное преимущество устройства — планарная геометрия.
В эффективных решеточных элементах связи интенсивности отраженных и преломленных пучков малы; ббльшая часть мощности излучения вводится в волновод и преобразуется в волноводные и поверхностные моды. В поверхностной волне из-за периодической структуры решетки появляются пространственные гармоники, причем рассеянные поля такой решетки интерферируют с самоусилением только в заданном направлении 0 пространства над пленкой и под ней. Излучение в других направлениях практически отсутствует, так как оно гасится при интерференции волн в соответствии с условием 19) ~„— ат(зз з(п О = 2п/Л.
Условие согласования фаз поверхностной и волноводной мод записывается так: Ат з!п О = ~~; йд = 2пу)ьа Это условие выполняется при соответствующем конструктивном подборе Л, О, ) е. Решив совместно эти уравнения, получим период решетки (условие Брэгга, см. п. 10.3) Л = )ьог!з!и О, (1 — пт)).
Электрооптические модуляторы, Их делят на одноволноводные и двухканальные. В обоих случаях управляющими электродами являются или тонкая металлическая шайба, или металлические полоски, иапыленные на кристалл, обладающий линейным электрооптическим эффектом Поккельса (см. п.
11.2). Приложенное к электродам управляющее напряжение смещения и (рис. 17.11, а) изменяет показатель преломления кристалла на Лп = пзг;;иу42с0. 361 (4 уа Б И гО БП АО .Д д ггг) -Баютд(алАл Без м А (т м Аз Беем д(ем '(з -БаАз При длине электрода Е изменение фазы проходящего через электрооптичепкий кристалл излучения Л!р = 2нлззггги l(2с(). Таким образом происходит фазовая модуляция оптического сигнала.
При пороговых условиях пропупкания мод низшего порядка фазовую модуляцию сравнительно просто преобразуют в амплитудную. Вариантом двухканального амплитудного модулятора, основанным на интерференции пространственно когерентных волн излучения (см, и, 3.2), проходящих различные оптические пути (рис. 17.11, б), является планарный волноводный аналог интерферометра Маха — Цандера 127) т ! ). Такой модулятор устойчив к внешним воздействиям, так как они в одинаковой степени влияют на оба плеча волноводного интерферометра. Типичные характеристики модулятора на подложке кристалла (.(Ь)ЬОз и ТЮз.канальными диффузными волноводами толщиной с( = 2 мкм для излучения о длиной волны Л, = 0,63 мкм: управляющее напряжение и„= 20 В; глубина модуляции ги = 60 %; ослабление излучения т,„= 30 %, длина алюминиевого электрода Е = 4 мм (271. Пленочный интегрально-оптический модулятор на эффекте Брэгга рассмотрен в и.
11.6. 17.7. Пленочный лазер с распределенной обратной связью и планарные фотодноды Пленочный лазер с распределенной авральной селаью — ото полуероводннковый лазер с перноднческнмн пространственнымн неоднородностями (локальные резонаторы) в пленочном активном мнкроволноводе, в котором достигается генерация волноводных н связанных с ними поверхностных волн излучении, распространяющаяся в противоположных направленнях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
