Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 118
Текст из файла (страница 118)
нал и выходит через покровный материал (рис. 4.1, а). Такая электромагнитная мода на. зывается излучательной. а) б) е) Рве. 4Д. Распространение волн в плоском волноводе; в — излучвтельные моды; б — излучвтельные моды подложки; е — волноводные моды Если увеличить угол паления света так, чтобы выполнялось соотношение езз с <р с гр„, то распространяющийся свет отражается от границы с покровным материалом и прелом- ляется обратно в подложку, и в этом случае говорят об излучательной моде подложки и речь не идет о волноаодном распространении света (рис. 4.1, о).
Если увеличить угол р так, чтобы выполнялось условие полного внутреннего отражения от подложки, то наолюдается полное внутреннее отрывание как от границы раздела нал- †подлож", так и от границы раздела "канал в покровный материал". Теперь световая волна, попавшая в канал, будет распространяться в нем по зигзагообрю ному пути, Эта волна называется оолноводной модой (рис. 4.1, е). Волны света испыть'ва ют полное внутреннее отражение на границах канала. Волны монохроматичны и когерентны, их угловая частота равна ы, длина волны )ч а вол новой вектор в направлении нормали к волновой поверхности равен йл„, так что й .=.
2х! х =- оэ l с, где с — скорость света в вакууме. Постоянная распространения )) лля волновой - моды в плоском волноводе определяется выражением: (4.2) )1 = (О 1 1 е = )гл;5(пц, где 1  — фазовая скорость. Значение )) лежит в пределах йл„с )) с йл,. 561 4. Оптические еолноеоды Введем понятие эффективного волноводного показателя преломления как величину Ф= () I х = игв(пф, который лежит в пределах и„< тт' < и„. (4.3) На рис. 4.2 представлены различные режимы распространения мод в волиоводном канале и соответствующее распределение полей мод Е(х).
Рие. 4.2. Распространение полей мод при различной постоянной распространения б При В > хл„распространение моды имеет экспоненцнальный характер. Такой тип колебаний не имеет практического применения, и поле неограниченно растет в подложке и в покровном слое (рис. 4.2, а). При условии кл„< р < кл„мода имеет поля, представленные на рис. 4.2, б, е. Это гармоническая колебательная функция с максимумом распространения по оси канала или с образованием в поперечном сечении волновода стоячей волны. Это волноводные моды. Излучательная мода подложки реатизуется при условии Ал„< р < хл„. Они могут существовать в волноводной структуре, однако быстро затухают нз-за перекачки из канала в подложку.
Если постоянная распространения лежит в интервале 0 < В < хк„, то мода колебаний хаРактерна для всех областей (рис. 4.2, д). Это соответствует излучательным воздушным модам, которые быстро затухают. Этот тип мод не используется для передачи сигнала. Проведенный анализ показывает, как важно правильно ввести пучок света в планарный волновод через элемент связи. Различают поперечные и продольные элементы связи. В поперечных элементах связи пучок фокусируется на открытое поперечное сечение волновода.
В эту категорию входят эле- менты связи прямого действия. Иа рис.4.3 приведена возможная схема ввода излучения в волновод и преобразования светового пучка в поверхностную волну. Преобразование энергии пучка в поверхностную волну происходит путем согласования электромагнитного пучка с полем поверхностной волны. Распределение интенсивности по сечению волновода соответствует моде ТЕ„. Часть И Квантовая и оптическая электроника сзчевидны потери световой энергии на границах планарного волновода. Поэтому попе речная схема элементов связи не нашла широкого применения. )) оптических системах волновод принято называть светоаодом, который предназначен для направленной передачи света. ц продольных элементах связи пучок света падает накчонно по отношению к световоду )г этим элементам связи относят, прежде всего, призмы и решетчатые элементы. В случае использования лризиенного элемента для ввода излучения пучок света падает на призму, показатель преломления которой ия (рис.
4.4). Угол падения выбирается таким, чтобы он удовлетворял условию полного отражения: О > О„„,„, = агсз)п(лз ! ля), Пдновремеино угол падения должен удовлетворять условию согласования фаз: )я мпО = рз, (4.4) где Ая — волновой вектор, ))„ — постоянная распространения поверхностной волны, Л .— алина связи призмы и световода. Полный обмен энергией люжет быть осуществлен при реализации условия чь' — я г'2, .де г, — коэффициент связи между излучательной модой и модой поверхностной волны, 'сли высота воздушного промежутка )гз достаточно высока, то между модами света в зризме и волновода существует слабая связь.
При незначительных размерах промежутка г, энергия пучка призмы передается в канал благодаря эффекту оптического туннелиро~ания света. Этот эффект вызван нарушением полного внутреннего отражения. При этом юлжно выполняться условие согласования фаз между модами призмы и канала. Перекач;а энергии из излучательной моды, совпадающей с полем пучка, может происходить при словии б сояО = 2н, де ж — ширина (агзертура) пучка падающего излучения. |следствие свойства обратимости световых пучков можно вывести излучение из волноода через призму.
Таким образом, призменный элемент связи позволяет осуществлять реобразования пучок света -+ поверхностная волна и поверхностная волна ь пучо~ вета. Рнс. 4.3. Схема поперечного элемента связи Рнс. 4.4. Схема прнзменнагО элемента связи ббЗ 4. Оптические волноводы Недостатком призменных элементов связи является требование высокого значения показателя преломления ла> л„материала призмы. Наприлзер, для волноводоа из Оалз, имеющих достаточно высокий показатель преломления, трудно подобрать призму с еще более высоким показателем преломления. Другая трудность заключается в настройке воздушного зазора йя толщина которого обычно меньше половины длины световой волны. К тому же в зазоре возможно скопление частиц пьши, что резко увеличивает потери световой энергии.
решеточной элемент связи работает аналогично призменному элемегзту. Однако в этом случае отсутсз.вует воздушный зазор. Решето щый элемент связи обладает периодической структурой (рис. 4.5). Прн падении на решетку волны рождаются гарлюники, локализированные в области решетки. Продотьные постоянные распространения этих гармоник равны: р„= ба 4 2ия 1 Гт', (4.5) где и — индекс, О, Н, а2; ))а — постоянная распространения поверхностной волны, ра и й, = 2л ! )из, где Хэ — длина волны падающего излучения; Ы вЂ” период решетки. Благодаря отрицательным значениям о возможны значения ~„<))„при которых будет удовлетворяться уровень согласования фаз Аачйпб = ба, что выполняется при соответствующих значениях Ш аг, Х, О.
Поле поверхностей волны состоит из гармоник и, следовательно, энергия, передаваемая пучком одной из гармоник, связана с основной гармоникой. гига гармоника распространяется в канале и превращается в поверхностную волну. Решетка может быть изготовлена в виде пленки фоторезиста, предварительно экспонированной интерференционной картиной волн.
В зависимости от фоторезиста и способов его обработки решетка может иметь синусоидальную, трапецеидальную или треугольную формы. Основной недостаток решетчатого элемента связи состоит в том, что значительная часть световой волны гасится в подложке вследствие многократного прохождения через решетку, Это ограничивает эффективность связи, которая меньше, чем у призменных элементов связи.
Существуют и другие элементы связи, например, голографического типа. Однако они применяются редко. рис. 4.5. Схема рашалгатогс элемента связи Часть!!!. Квантовая и оптическая электроника 564 Таблица 4ВК Сравнительные характерисзикн волноводных структур 1!аказатель преломленея волково,!ного слоя ня длине волны )л (нм) Средней уровень потеРь ня длине волны (н км), дБ/си Способ Материал подложки Материал волноводного слон получения велноводного слоя Стекла ТК8-ТК21 Стекло ' 1,56 — 1,66 (0,63) В'1-распыление 1 (0,63) ЫВ 0,01 (0,63) О 2.27 (0,6 2,00 (О 63 + 1 Та!Он ТазОзм 0,0 (0,63) 1,03 — 2,1 5 (0,63) ()олнлзерззза!Зня в плазме тлеющего разряда Внннлзрнметнлснлан 1 — 4 Желатин Т): 1 !ЫЬОз + гзз~ое> нз водного раствора 151ЧЬО: 0,5 (0,63) з г ЩЫЬОз (зтаОз 2,20 (0,63) Опнтзкьня 1„0 (0,63) Т(: (зХЬОз Д ! ! з я Волноводы могут быть выполнены на пассивных и активных подложках.
для выполнения пассивных функций используются волноводы на стеклянных подложках 3то просто и экономично. Одним из методов получения волноводных структур является легнрование стекла путем ионного обмена в электрическом поле между ионами стекла н ионами легнрующей примеси. Таким способом создаются волноводные структуры ра . дичной конфигурации.
Возможно использование методов ионной имплантации. Этим методом удается получить изменение коэффициента прелолзления на 10 — 15% и снизит~ оптические потери до 0,1 дБ!см. Для пассивных волноводных структур использукггс„ тонкие пленки, полимерные пленки. яклгивкые полноводные структуры формируются на основе акгивных диэлектриков, на пример, кристаллов ниобата лития, титаната лития. Оптическими свойствами активных диэлектриков и соответствующих волноводных структур можно управлять с помощью внешних электромагнитных полей. Волноводные каналы в активных диэлектриках формируются с помощью процессов диф. фузии ионов, имптантации, эпитаксни. Например, широко распространена структура вод- повода на основе легирования титаном ниобата лития Т!: Ь!ХЬОз.
К активным волноводам относятся также структулпы, полученные на полупроводниковой основе, например, на соединениях типа А'В, А В . Необходимый перепад показателя преломления в таких структурах достигается за счет многослойных структур с плавным нли ступенчатым изменением состава при переходе от слоя к слою.
Одновременно можно менять концентрацию свободных носителей в полупроводнике и создавать области с различными показателями преломления, В табл, 4.1 приведены некоторые параметры материалов для волновых структур. 4, Оптические волноводы 555 Таблица 4.1 эокончаээие) Способ получения аолиооодного слоя Средний уровень потерь иа длине валим (мки), дб)слэ Показатель иреломления аолиоводнога слоя на длине волны х (нм) Материал аолнаводиоэа слоя б(а эериал подложки Н: С!)СЬОэ С!ЫЬОэ 2,35 (0,63) 4 Протонный 0,5 (0,63) обмен !.1Та07 221 (0,63) ~ Ионный обмен 1 2.0 (0,63) !ЗТа07 Р1 Хзскерамика 2,60(0,63) ~ ВЧ-расгэыленис ~ 5,0(1,32) А(707 1.Оаэ .Аь ( 3,60 (0,02) Эпнтаксия ' 0,2 (1,30 ОаАь ) молекулярного А Ё' пучка Эгэи гаксия, 9,0 (0,63) С715 2,46- -2,50 (0,63) СОЯ7 .Ве, СО,Хаэ,б Диффузия 3,0 (0,63) Лоб ~ 2,37 (0,63) Л!,Оаэ,Аь 1 3,!Π— 3,37(1,15) Эпнтаксээя 1 4,0(1,15) — 1 А1,Оаэ „Аь баЛь ' 3,20 (!Д5)»» )пР ' 3,37 (1,32) 1„7 (1,15) Л(,Оаэ,Аь 1 5.0 (1,32) Оа!лэ.Ль,Р,, 77» ОаАь ( 3,60 ( 1,15) ээ» !.3 (1,15) ОаЛь Полупроводниковые волноводы„ как правило, изготовляют из тех же материалов, что и интегрируемые с ними инжекцнонные лазеры и фотоприемники.
4.2. Волоконные световоды Ь7ПО„, = ч'й У! 777 (4.6) Волоконный светоеод представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала с радиусом В и показателем преломления п„внутри которого расположена сердцевина с радиусом г и показателем преломления н, > лэ. Если в открытом пространстве передача световой энергии происходит одновременно по всем направлениям в пределах прямой видимости и ограничивается расходимостью, поглощением и рассеяниелэ сне~а, то применение световодов позволяет передавать световую энергию на большие расстояния по криволинейным трассам. Разработаны различные типы световодов: линзовые, зеркшэьньэе, полые трубы и т. п. Наибольшее распространение получили гибкие диэлектрические световоды с низкими оптическими потерями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
