Як виглядає оптична інтегральна схема, пасивні елементи, Лазери, голографія, волоконна та
>
Як виглядає оптична інтегральна схема?, пасивні елементи
- це приваблива, сучасна і легко запам'ятовується назва нового напряму оптики вигадав у 1969 р. С. Є. Міллер. Інтегральна оптика розглядає явища, пов'язані з поширенням світла тонких плівках. По суті, вона є логічним продовженням НВЧ техніки, переносячи її принципи в оптичний діапазон електромагнітних хвиль від 0,1 до 10 мкм. У зв'язку з цим елементи інтегральної оптики за аналогією стали називати оптичними інтегральними схемами. Ці схеми виявилися такими ж мініатюрними, як і їх НВЧ аналоги. Перехід до них від століттями застосовуваної великогабаритної лінзової оптики надзвичайно привабливий.
Вся інтегральна схема міститься на невеликій кристалічній пластині, яка називається . Наносять плівки. Одні плівки є пасивними переносниками енергії, інші - здатні самостійно генерувати світло, модулювати і, нарешті, детектувати його, граючи роль активних елементів. Функції пасивного елемента виконує хвилевід. Він перетворює об'ємну просторову хвилю в поверхневу і передає її подібно до того, як електричні дроти переносять струм.
У гол. 3 ми познайомилися з одним із видів хвилеводів - з опічними волокнами. В інтегральній оптиці хвилевід має вигляд сендвіча (рис. 42), що складається з підкладки, плівки та покриття, роль якого часто з успіхом відіграє повітря. Такаконструкція виявляє хвилеводні властивості тоді, коли показник заломлення плівки n п перевищує показники заломлення підкладки n1 та покриття n 2.
Для кращого розуміння принципу поширення світла у хвилеводі звернемося до геометричної оптики. Промінь світла, увійшовши в плівку, багаторазово відбивається від її кордонів і поширюється зигзагоподібним шляхом, що нагадує поведінку світла в оптичному волокні. Оптичний хвилевод має також властивості, які ріднять його з хвилеводом НВЧ діапазону, але товщина його при цьому в 104 разів менше. Разом про те оптичному хвилеводу притаманні індивідуальні риси - він є хвилеводом відкритого типу. Це означає, що світло поширюється не тільки всередині плівки, а й у сферах, що прилягають до неї, - у підкладці та покритті. Тому матеріали всіх трьох шарів повинні мати добрі оптичні характеристики і, насамперед, невелике поглинання. До того ж вони мають бути механічно міцними та стійкими до зовнішніх впливів. Основним матеріалом для підкладок в інтегральній оптиці є арсенід галію (GaAs). Щодо плівок хвилеводів, то добре себе зарекомендували органічні матеріали, фоторезисти, розпилене скло.
Мал. 42. Схема хвилеводу: 1 – покриття; 2 – плівка; 3 - підкладка
Мал. 43. Поперечні перерізи лінійних хвилеводів: а - піднятий: б - гребінчастий: в - внедоенный; г - складовий
Хвильоводи, що мають значну ширину, називаються планарними. Світло в них може поширюватися всередині плівки в будь-якому напрямку. Їх слід відрізняти від лінійних хвилеводів як смужок чи каналів, вздовж яких поширюється світло. На рис. 43 зображено чотири профілю лінійних хвилеводів. В одних хвилеводах смужки виступають надплощиною підкладки, в інших – впроваджені до неї. Зазвичай товщина плівки вбирається у 1 мкм, тоді як діаметр лазерного пучка становить кілька міліметрів. Як же ввести такий промінь у тонкоплівковий хвилевід? Промінь можна, наприклад, фокусувати за допомогою лінзи на край плівки (рис. 44 а). Тут лінза уподібнюється до рупора. Однак це не дуже зручно, оскільки необхідно ретельно узгодити лінзу та лазерний пучок з найтоншим краєм плівки. Простіше виявилося вводити світло за допомогою призми з більшим показником заломлення, ніж плівки (рис 44, б). Але тут є одна незручність. Для перекачування світлової енергії необхідно, щоб між призмою та плівковим хвилеводом залиша-
вався повітряний зазор товщиною менше половини довжини хвилі. У зазорі можуть накопичуватися частки пилу, у результаті ростуть втрати світла. Цього можна уникнути, якщо зазор заповнити матеріалом, що зв'язує, що одночасно робить конструкцію більш стійкою. Як показує досвід, за такого введення втрачається трохи більше 12 % енергії світла.
Аналогічно призменному працює інший елемент введення - ґратчастий (рис. 44, в). На плівку хвилеводу накладають тонкий шар фоторезиста. За допомогою лазера на поверхню експонують інтерференційну картину. Після відповідної обробки фоторезист стає дифракційною решіткою із синусоїдальним, трикутним або трапецеїдальним профілем. Мініатюрність гратчастих елементів, відносна легкість виготовлення роблять їх дуже перспективними для застосування в інтегральній оптиці. Однак з їх допомогою не вдається досягти високої ефективності зв'язку, властивої призмам, оскільки значна частина енергії, що падає, втрачається в підкладці.
Після того, як енергія світлової хвилі введена в хвилевід, її передають у наступний елемент.Найлегше зв'язати два планарні хвилеводи. Якщо хвилеводи розміщені на спільній підкладці, їх пов'язують за допомогою проміжного шару плівки (рис. 45 а). Енергія з одного плівкового хвилеводу в інший проникає через краї плівки, що звужуються. Якщо підкладки хвилеводів різні, їх пов'язують за допомогою ґрат (рис. 45, б). Щоправда, ефективність такий передачі невисока, оскільки у процесі обміну втрачається до 35 % енергії. Крім зв'язку між планарними хвилеводами, завдання інтегральної оптики входить також розробка зв'язку між планарними і лінійними хвилеводами, між двома лінійними. Щоб передати енергію з планарного лінійний хвилевод, ширину першого поступово зменшують, поки вона не зрівняється з шириною лінійного хвилеводу. Формою перехід нагадує рупор (рис. 45, в).
Мал. 44. Елементи введення світла у хвилевід за допомогою лінзи (а), призми (б) та решітки (в): 1 - плівка; 2 – підкладка; 3 – лінза; 4 – призма; 5 - грати
Поверхнева хвиля, проходячи через рупор, втрачає частину своєї енергії через розсіювання. Втрати можна зменшити, якщо перехід зробити довгим. Наприклад, при ширині планарного хвилеводу 50 мкм, а лінійного - 3 мкм перехід досить подовжити до 2 мм, щоб знизити втрати до 10%. Можна зробити інакше, наприклад, кінцю планарного хвилеводу надати форму призми. Тоді обмін енергією між скошеним краєм та лінійним хвилеводом відбуватиметься через зазор. Така конструкція нагадує призмовий елемент зв'язку, зображений на рис. 44, б. Різниця лише в тому, що перекачування енергії протікає в межах малої товщини тонкоплівкових хвилеводів.
Лінійні хвилеводи пов'язують, розташовуючи паралельно (рис. 45, г). Перебуваючи поблизу одне одного, вони обмінюються енергією. Причому частка енергії, що передається, з одногохвилеводу в інший залежить від довжини зв'язку L між ними.
Хоча інтегральна оптика є самостійним напрямом оптоелектроніки, вона тісно пов'язана з іншими областями, в першу чергу з волоконною оптикою. Їхній симбіоз дозволяє, наприклад, вирішувати завдання оптичної лінії зв'язку. Тому великого практичного значення набуває проблема зв'язку планарного або лінійного хвилеводу з опічним волокном. Робота над цим питанням тільки розпочалася, тому немає ще рішень, що повністю задовольняють запити практики. Вся труднощі полягає саме у мініатюрності елементів. Необхідно створити міцне з'єднання за малої площі контакту. Як поєднати ці, на перший погляд, суперечливі вимоги? На рис. 45, д показаний приклад такого зв'язку. Волокно вводиться у підкладку через циліндричний отвір та закріплюється клеєм. Випромінювання проходить через звужується край плівки в підкладку і фокусується напівсферичним дном отвору на вхідний торець волокна.
Проблема введення світлової енергії у хвилевід і виведення з нього, а також зв'язок між хвилеводами не проста. Вона вимагає ретельного як теоретичного, так і експериментального опрацювання. І хоча перші дослідження почалися в 80-х рр., реальні устрою ще далекі від досконалості.
Мал. 45. Схеми зв'язку двох планарних хвилеводів через проміжний шар (а), двох хвилеводів за допомогою грат (б), планарних та лінійних (в), двох лінійних хвилеводів (г), хвилеводу та волокна (д): 1 - хвилевід; 2 – проміжний шар; 3 - грати; 4 - волокно