4.3.1. Призменный элемент ввода—вывода излучения

Проблема несоответствия ширины пучка и линейных размеров сечения волновода снимается, если излучение вводить не через торец, а через внешнюю поверхность волновода. Однако в этом случае возникают другие, принципиальные трудности.

Рассмотрим параллельный пучок света, падающий на внешнюю поверхность волноводного слоя под углом θ0. Для того чтобы в слое возникла волноводная мода, угол θ0 должен быть достаточно большим, так чтобы угол падения волны на внутренние поверхности волновода превышал углы полного внутреннего отражения на обеих поверхностях раздела. Кроме того, как показано в §4.1, должно выполняться условие (4.12), приводящее к дискретности возбуждаемых возможных волноводных мод. Если же рассматриваемый параллельный пучок, направленный на внешнюю поверхность волновода, достаточно протяженный, то для того чтобы внешняя волна, подходящая в разных точках вдоль направления распространения волноводной моды, не гасила ее, должны быть равными продольные составляющие (z-составляющие на рис.4.1) волновых векторов (констант распространения) в покровном слое (воздухе) и в световодном слое:

(4.18)

где, как и ранее, kλ = ω/с— волновой вектор в вакууме. По определению есть эффективный показатель преломления волновода (4.9). Из условия (4.18) следует, что nэф должен быть меньше п0(sin θ0< 1). Это противоречит другому условию (4.10), согласно которому пэфдолжен быть больше пП , а подавно и п0. К аналогичному противоречию легко прийти и при рассмотрении параллельного пучка, падающего на волновод со стороны подложки.

Подпись: Рис. 4.4. Призменный (а) и дифракционный (б) элементы связи светового пучка с волноводом

Проблема находит свое решение благодаря использованию для ввода излучения в световедущий слой так называемого призменного элемента связи. Идея, на которой основан принцип его действия, подсказывается условием (4.18); необходимо каким-то образом сделать так, чтобы свет, падая на поверхность волновода, выходил из материала с большим показателем преломления, чем пВ. Поскольку применение такого материала для покровного слоя неприемлемо, для ввода излучения в волновод было предложено использовать миниатюрную призму с большим показателем преломления и3> расположенную на его поверхности (рис. 4.4, а). При этом предполагается наличие тонкого зазора между поверхностями призмы и волноводного слоя. Призму изготовляют, например, из германия (п3 = 4,0), фосфида галлия (п3 = 3,4), рутила (п3 =2,5).

На призму лазерный пучок направляют так, чтобы угол падения на ее основание превышал угол внутреннего отражения (рис. 4.4, а). При этом луч проникает за поверхность (нарушение внутреннего отражения), а при толщине w зазора между призмой и волноводом меньше длины волны света заметная часть энергии проникает в волновод (оптическое туннелирова-иие). Условие (4.18) теперь уже не противоречит условию пэф< п0, так как в данном случае п0 — коэффициент преломления материала призмы. Для данной длины волны λ условие (4.18) можно выполнять, изменяя угол падения лазерного луча. Для другой λ угол падения окажется другим. Таким образом в волновод можно ввести моду нужного порядка.

Чтобы связь призмы с волноводом была эффективной, толщина зазора не должна превышать десятых долей λ, ширина же оптического пучка, а значит, протяженность основания призмы должны быть такими, чтобы волноводная мода сделала вдоль основания призмы порядка 100 зигзагов. Важно, чтобы правый край лазерного пучка попадал строго в угол призмы (как показано на рис. 4.4). Если пучок сдвинут правее, часть его энергии не попадает в волновод, если левее, то вследствие оптического туннелирования часть энергии волноводной моды вернется опять в призму. Последнее объясняет возможность использования призменного элемента связи не только для возбуждения волноводных мод, но и для вывода излучения из волновода, что и применяют на практике.

Введение в оптоэлектронику


*****

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