Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 122
Текст из файла (страница 122)
— Мл Советское радио, 1977. 4, Пихтин Л. Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. Учебное посо, бне. — М.. Высшая школа, 1983. 5 Свечников Г. С. Интегральная оптика. — Киев, Наукова думка, 1988. 6, Справочник по лазерам. Под. ред акад. А. М. Прохорова. В 2-х томах, т. 2. — Мл Советское ра дио, 1978. 7. Введение в интегральную оптику Онягегртьная оптика является разделом оптоэлектроники, в котором изучаются оптические явления в тонких слоях материалов, а также разрабатываются методы создания интегрально-оптических элементов и устройств для целей генерации, преобразования и передачи информации.
В рамках интегральной оптики обеспечивается возможность интеграции(объединения) оптических и оптоэлектронных элементов. 7.1. Элементы интегральной оптики С позиции системного подхода к анализу издслий интегральной оптики можно различить следующие основные элементы. Первым элементом является источник света, который может излучать когерентную нли некогерентную световую волну. Вторым элементом является миниатюрный волновод — интегрально-оптический световод. Такой световод создается либо на основе свеговедущего слоя на поверхности нли внутри диэлектрической подложки, либо в виде отдельного световолокна. В световедущем слое предусмотрен больший коэффициент преломления, чем в окружающей среде.
Ото и обеспечивает возможность локализации в нем излучения вследствие явления полного внутреннего отражения. Третьим элементом интегрально-оптических устройств является усгройство управления световым потоком. В его основе лежат либо пассивные мелгоды, связанные с возбуждением определенных волноводных мод в зависимости от соотношения показателя преломления свстоведущего канала, подложки и окружающей среды, величины угла падения света, геометрических размеров волноводов. Сюда включаются планарные линзы и призмы. Возможны и активные способы управления световым потоком за счет использования физических явлений и эффектов; акустооптических, электрооптическнх, магнитооптических. Они позволяют локально менять показатель преломления материала волновода.
Возможно введение в световой канал модуляторов, лефлекторов, частотных фильтров, фазоврашателей, направленных ответвителей и других элементов управления световыми потоками. Это так называемые иктнвлые ллпегрияьло-оплшческие элементы. Они используются для управления параметрами световой моды, а именно модуляцией амплитуды, фазы, поляризации. Возможно пространственное разделение света в дефлекторах. Толщина волновода досгаючно мала и поэтому возможна высокая концентрация световой энергии рд)0 Втусм ). В этом случае возникают нелинейные оптические явления, ~акис как фазовый синхронизм взаимодействующих мод за счет волноводной дисперсии, ~ффект удвоения частоты излучения, генерация гармоник. Четвертым, естественным элементом интегральной оптики, является носитель информационного сигнала — световая волна.
Она может иметь форму, необходиь1ую для эффективной обработки информации; цуг монохроматичсской волны, плоская волна и т. п. Часть )П. Квантовая и оптическая элекгрони„ 584 Пятым элементом является приемник оптического излучения. С его полющью дстектир,. ется световой сигнал и снимается информация. 7.2. Устройства и элементная база интегральной оптики Этехгенлгной базой илгпегргзгьлой олпгикк слузкат интегрально-оптические элементы представляющие собой миниатюризированные оптические и оптоэлектронные устройс„.
ва, предназначенные для передачи и обработки световых сигналов. Различают три группы интегралыю-оптических элементов. Пассивные элементы уцрав пения излучением, элементы преобразования электрической энергии в световую и обре~ но. К пассивным интегрально-оптическим элементам относятся, прежде всего, устройств ввода и вывода излучения.
Они предназначены для согласования световых потоков вхо дяцгих и выходящих из волновода. На рис. 7.! представлены схемы интегршгьнооптических элементов связи, б) в) Рис. 7.1. Схема интегрально-оптнчеогого элемента связи на основе днфрвкцнонных решеток (в) н с использованием рупорных переходов (е): 1 — подложка, 2 — вопновол; 3 — элемент связи; 4 — световой поток Возможны и другие формы интегрально-оптических элементов ввода-вывода, например волноводы с изменяемой геометрией.
К этой же группе относятся згнтегральнс оптические разветвители излучения с разным числом каншюв. Интегрально-оптические линзы фокусируют излучение волновода в заданном месте. Различают геодезические лин зы, линзы Люнебсрга н линзы Френеля (рис. 7,2). Геодезическая линза конструкгивно выполняется в виде углубления на поверхности вол повода, такого, что происходит фокусировка излучения. Лшыа Лгонебе)зза представляет собой область определенной конфигурации с отличи~~ волновода показателем преломления: ггз > и„ где и, — показатель преломления волновода, и, — показатель преломления воздуха. еиеля н Лпнзп Френеля является фрагментом известной в оптике зонной пластинки Фреиел я может представляет собой дифракционную решетку с переменным шагом.
Линза Френеля и быть голографическим элементом связи. о оптн К этой группе интегрально-оптических элементов можно отнести интегрально-о ьцевые ческие фильтры, представляющие собой дифракционные решетки, а также колы! интерферометры и резонаторы (например, типа Фабри — Перо), Эти интегрально-о пти 1е У. Введение в интегральную оптику 585 скис элементы способны изменять пространственные характеристики световых сигналов, оставляя неизменным их энергию. б) Рис.
7д, Интегрально-оптические линзы: в — геодезическая, б — линза Люнвбвргв; в — линза Френеля: 1 — подложка; 2 — плвнарный вслновод, Э вЂ” линза, 4 — световой поток в) Вторая группа интегрально-оптических элементов позволяет управлять излучением путем изменения амплитуды, фазы или поляризации. В этих элементах используются явления. связанные с изменением показателя преломления световода за счет электро-. магиитоили акустооптических эффеь.гов. Так интегрально-оптические модуляторы амплитуды светового потока строятся по схеме интерферометра Маха — Цандера путем разветвления волновода на основе электрооптических материалов (рис, 7.3, а).
В каналах при подаче управляющих сигналов изменяются фазы световых волн, и при их новой интеграции на основе явления интерференции изменяется амплитуда световой волны. В интегрально-оптических переключателях осуществляется управляемое перераспределение оптической энергии между волноводами (рис. 7.3, б).
Это происходит благодаря изменению показателя преломления в области связи между. волноволалш. Эти изменения происходят под действием управляющего напряжения. Работа интегральных акустооптических модуляторов основана на изменении направления Распространения световых пучков в планарном волноводе в результате явления дифракции света на фазовых неолнородностях. Фазовые неоднородности возникают в узлах и пучностях поверхностной акустической волны, возбуждаемой встречно-штыревыми пре- образователями (рис. 7.3, е).
"азработаны интегрально-олтические преобразователи частот, действие которых основано на изменении характеристик нелинейно-оптических материалов волноводов с после- дующим смещением световых частот. Третья группа интегрально-оптических элементов предназначена для генерации, усиленна и детектирования оптических сигналов енерация оптического излучения производится в интегрально-оптическом волноводе " результате рекомбинации элелтронно-дырочных пар в области р †"и-перехода полупроводникового излучателя(фотодиода,лазера).
Часть )П. Квантовая и оптическая электооника а) б) Рис. 7.3. Интегрально-оптичеСкие элементы для модуляции по амплитуде (а); переключения световых потоков (б), дефлектор (в); 1 — подложка, 2 в канальные и планарный волноводы; 3 — области связи пучков; 4 — встречно-штыревой преобразовател~; 5 — электроды управления, б — световой пучок; в) 7 — поверхностна акустическая волна Рис.
7.4. Структура интегрально-оптического усилителя 1 — входнои вопновод; 2 — выходной волновод с усиленным излучением; Э вЂ” полосковый электрод; 4 — активная инверсная среда; 5 — полупроводниковая подложка а) б) Рис. 7.5. схема интегрально-оптического детектора на основе кремния (в) и на основе А!бадз)садк ( 58У 7. Введение е интегральную оптику В качестве оптического усилителя ыогут использоваться слоистые структуры с активной средой, В этой среде создаются условия инверсной населенности энергетических уровней с последующим усилением проходящего излучения (рис. 7.4).
Детектирование излучения осуществляется с помощью фотоприемника, в качестве которого используются фоторезнсторы, фотодиоды, фототранзисторы. Фотоприемники обычно сопрягаются с оптическим волноводом. Широкое распространение получили кремниевые диоды с р — и-переходом грие. 7.5, а).
В качестве подложки используется кремниевая пластина с нанесенным стеклянным оптическим волноводом. Свет из волновода попадает на поверхность р — и-перехода. Детектор иа основе фотодиода реализуется с помощью процессов эпитаксин и ионной имплантации, Эти детекторы используются в области видимого оптического излучения. В ИК- области спектра могут быть использованы интегрально-оптические АЮаАя!СзаАз детекторы (рис. 7.5, б).
7.3. Интегрально-оптические схемы ))лтеэ)зальло-оптическая схема представляет собой миниатюризированное функционально законченное устройство обработки информации, связь между элементами которой осуществляется с помощью электрических и световых сигналов. Различают гибридные и монолитные интегрально-оптические схемы. Гибридные илглегрально-олгличегкле схемы создаот методом прецизионной сборки из отдельных интегрально-оптических элементов на общей подложке, В оптических интегральных схемах различают электронную н фотонную части.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
