4.2. Различные типы оптических плоских волноводов, их характеристики и методы изготовления

До сих пор при рассмотрении эффектов в плоской волноводной структуре, схематически изображенной на рис. 4.1, предполагалось, что она бесконечно простирается в направлениях у и z. Такое рассмотрение вполне допустимо для ряда реальных случаев и может применяться для некоторых интегрально-оптических элементов, например, дефлекторов, тонкопленочных линз и призм и т. д. В интегральной оптике, кроме таких, как их называют, планарных волноводов, широко применяют также полосковые (канальные) волноводы, сечение которых ограничено не только по толщине, но и по ширине (например, по координате у на рис. 4.1). Полосковые волноводы позволяют формировать узкие (шириной несколько микрометров) световые пучки, распространяющиеся по прямолинейной или криволинейной траектории, без привлечения фокусирующих линз, зеркал и других оптических элементов, а также производить преобразования над этими пучками.

Подпись: Рис. 4.2. Поперечные сечения полосковых волноводов раз¬личного типа:
а — приподнятого, 6—гребенчатого, в — внедренного, 
г — с наложенной полоской,  д — утопленного

Для ограничения световой волны в таком волноводе по ширине (как и по толщине) используют явление полного внутреннего отражения от боковых поверхностей полоски. Это можно осуществить несколькими способами (рис. 4.2). Наиболее просто идея реализуется в случае полоски с показателем преломления пВ, наложенной на подложку с показателем преломления пП<пВ(рис .4.2, а). При этом ограничение световой волны по ширине происходит за счет внутреннего отражения на границах раздела полоски с воздухом. Аналогичный результат достигается при использовании внутреннего отражения на боковых поверхностях полоски, внедренной в подложку (рис. 4.2, в). Полоску можно «утопить» в подложку и тогда для ограничения светового пучка как по горизонтали, так и по вертикали используют внутреннее отражение на границе волновод — подложка (рис. 4.2, о). Используют также другие конфигурации полосковых волноводов (рис. 4.2, 6, г).

Как в планарном, так и полосковом оптическом волноводе потери, которые испытывает световая волна, обусловливаются поглощением в используемых материалах, рассеянием в объеме волновода и на его поверхности, а также излучением световой энергии в подложку и покровный слой. Считается приемлемым для практики, если оптические потери интегрально-оптического волновода не превышают 1—3 дБ/см.

Неожиданно большими кажутся на первый взгляд потери на рассеяние в волноводах, изготовленных из практически прозрачных материалов. Известно, что рассеяние света в среде обусловлено имеющимися дефектами и несовершенствами, если их линейные размеры соизмеримы с длиной волны света. Если исключить самые дефектные волноводы, объемное рассеяние света на длине порядка 1 см (что характерно для интегрально-оптических схем) можно не учитывать. Другое дело, рассеяние света на шероховатостях поверхностей раздела волноводной пленки с подложкой и покровным слоем (воздухом). Это особенно важно, если учесть, что при относительно небольшой длине волновода световой пучок испытывает большое число отражений. В реальном случае для прохождения пути длиной 1 см волноводная мода высокого порядка может испытать более 1·103 отражений. Элементарный расчет показывает, что для того чтобы суммарные потери на рассеяние в таком волноводе были меньше 1 дБ, при однократном отражении от поверхности раздела они должны быть меньше 10-4 — 10-2 %. Этим объясняются жесткие требования, которые предъявляются к качеству поверхностей оптических волноводов.

При прочих равных условиях потери на поверхностное рассеяние тем больше, чем больше разность показателей преломления контактирующих веществ. Поэтому внедренный, а тем более утопленный волноводы (рис. 4.2, в, д) допускают большие нерегулярности на поверхностях раздела по сравнению с приподнятым полосковым волноводом. Слабое рассеяние на боковых поверхностях наблюдается в гребенчатом волноводе и с наложенной полоской (рис.4.2, в, г). В первом случае влияние боковых стенок волновода ослаблено, а во втором — резкие боковые границы раздела вообще отсутствуют.

Поглощение света при прохождении им слоя вещества толщиной l описывается формулой Бугера — Ламберта:

(4.14)

откуда следует, что потери на поглощение в волноводах длиной l порядка 1 см, изготовленных на основе стекол и диэлектриков с малым содержанием окрашивающих примесей, можно практически не учитывать, если использовать область прозрачности этих материалов. Это, однако, недопустимо для волноводов на основе полупроводников, особенно в спектральной области, соответствующей межзонному (фундаментальному) поглощению. Действительно, при энергии квантов света, превышающих ширину запрещенной зоны полупроводника ΔЕ, коэффициент поглощения α становится больше ~1·104см, что соответствует фактически полному поглощению света в слое 0,1 — 1 см. Чтобы избежать такого сильного ослабления света, длина волны света должна быть больше, чем это соответствует значению

, (4.15)

т. е. когда межзонное поглощение невозможно. Однако нужно иметь в виду, что возможно также поглощение света свободными носителями (электронами или дырками), концентрация которых в полупроводниках может быть значительной. Для этого типа поглощения α сверхлинейно возрастает при увеличении длины волны света. Следствием этого является то, что начиная с близкой инфракрасной области спектра оптическое поглощение легированных полупроводников становится достаточно сильным.

Третий из названных видов оптических потерь —излучательные потери. В планарных и прямолинейных полосковых волноводах они незначительны, особенно для мод не очень высокого порядка, когда угол падения на поверхности волновода не очень приближается к углу внутреннего отражения для поверхности раздела волновод—подложка. Однако в местах изгибов волноводов излучение в подложку или воздух, очевидно, может происходить и тем интенсивнее, чем сильнее эти изгибы. Именно этим определяется минимально допустимый радиус кривизны полосковых волноводов.

Для изготовления плоских волноводов приемлемы многие методы, в частности, заимствованные из технологии приборостроения и полупроводниковой микроэлектроники.

Метод нанесения тонких диэлектрических пленок на зеркальную поверхность подложки является наиболее естественным. Для этого могут использоваться простые и не требующие дорогого оборудования способы: окунание или центрифугирование растворов с последующим высыханием или полимеризацией нанесенного слоя. Так получены достаточно хорошего качества волноводы из фоторезиста, эпоксидной смолы, полиуретана, полиметилметакрилата и т. п. Более совершенные диэлектрические пленки с контролем толщины можно создавать нанесением нужного материала в вакуумной камере при его термическом, катодном или ионно-лучевом распылении, в результате бомбардировки ионами инертных газов в постоянном или высокочастотном электрическом поле, используя реактивное напыление, и т. п. Все эти методы позволяют наносить на подложку из стекла, кварца или другого материала аморфные световедущие слои. Универсальным методом создания монокристаллических слоев является эпитаксия, особенно полупроводниковых соединений А3В5, используемая в технологии лазерных и светоизлучающих диодов.

Волноводную структуру можно получить, не только наращивая на подложке слой с большим показателем преломления, но и создавая такой слой в самой подложке. Это достигается введением в приповерхностный слой монокристалла примесей, которые приводят к увеличению показателя преломления света. Одним из наиболее распространенных методов легирования является диффузия из потока газа или слоя, нанесенного на поверхность подложки. Миграцию ионов в приповерхностный слой стекла также осуществляют, погружая подложку в расплавленный электролит подходящего химического состава. Прогрессивным методом введения примесей в подложку является имплантация ионов.

Как известно, показатель преломления света определяется не только химическим составом вещества и его кристаллической структурой, но и наличием свободных электронов. Из электронной теории следует, что на высоких частотах

(4.16)

где εо—электрическая постоянная; тп—масса электрона; N1 — концентрация электронов. Если N1 изменяется на ΔN1, то

, (4.17)

причем при уменьшении N1 показатель преломления п возрастает. Это можно использовать для получения волноводных слоев. Величину N1 можно изменять, не обязательно вводя в вещество инородные примеси. Концентрация свободных носителей уменьшается, например, при облучении монокристаллов протонами. Наконец, волноводный слой можно получить, если на поверхность полупроводника нанести выпрямляющий контакт. Прилегающий к поверхности слой окажется обедненным свободным носителем (слой Шоттки), что приведет согласно (4.17) к увеличению п. Аналогичный эффект наблюдается, если в приповерхностном слое полупроводника создать р-п-переход.

Для создания полосковых волноводов с нужной конфигурацией используют хорошо освоенные в микроэлектронной технологии методы литографии.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.