4.4.1. Интегрально-оптические модуляторы света

В интегральной оптике часто используют электрооптические эффекты. Для управления параметрами оптического луча в модуляторе, действие которого основывается на линейном эффекте Поккельса, на подложку наносится тонкий волноводный слой, а поверх него — металлический электрод (через промежуточный слой с низким п, чтобы избежать затухания). Между этим электродом и омическим контактом к подложке прикладывается модулирующее напряжение U. Волноводный слой обязательно должен быть более высокоомным, так чтобы все приложенное напряжение падало именно на нем. При малой его толщине напряженность электрического поля E оказывается достаточно высокой при умеренных напряжениях. Например, E=105В/см при толщине волноводного слоя h = 1мкм и U=10 В. Вызываемые электрическим полем изменения фазы или вращение плоскости поляризации света можно обнаружить, применяя фазово- или поляризационно-чувствительное детектирование, что ограничено трудностями интегрально-оптического исполнения соответствующих устройств. Удобнее использовать модуляцию непосредственно интенсивности световой волны, для чего толщину волноводного слоя и разность показателей преломления волновода пв и подложки пп подбирают такими, чтобы при U=0 (или при вполне определенном значении U= U исх) волновод в соответствии с (4.13) находился в припороговом состоянии для пропускания моды наинизшего порядка. При наложении U (или изменении U по сравнению с Uисх) показатель преломления пв изменяется и волновод пропускает световую волну. Из-за малости рабочего объема модулятора значение электрической мощности, требуемой для управления прибором, уменьшается по крайней мере на порядок по сравнению с объемными модуляторами, а в полосковом модуляторе она еще на порядок меньше. В связи с этим требования к материалам для интегрально-оптических модуляторов резко снижаются, а их изготовление становится более простым и дешевым. Могут использоваться как «классические» материалы, какими являются ниобат и танталат лития, так и многие другие вещества, прозрачные в нужной области спектра, например кварц, полупроводниковые соединения и т. п. Технология изготовления интегрально-оптических модуляторов, исключая создание металлических контактов, практически ничем не отличается от технологии получения плоских волноводов.

В полупроводниковых интегрально-оптических устройствах для модуляции света используют также эффект Франца Келдыша. В этом случае припороговые условия распространения волноводной моды не используются, однако длина волны модулирующего света должна строго соответствовать краю собственного поглощения полупроводника, который под действием сильного электрического поля размывается, т. е. становится возможным поглощение фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны (в этом и состоит эффект Франца — Келдыша). Энергетический сдвиг края собственного поглощения в длинноволновую область спектра описывается выражением

, (4.21)

где т*п— эффективная масса электрона.

В объемных модуляторах эффект Франца—Келдыша практически не используется так как согласно (4.21) для того, чтобы наблюдение δ(ΔЕ) стало возможным, к однородному полупроводнику необходимо прикладывать слишком высокие напряжения. В интегрально-оптических модуляторах слой, к которому прикладывают напряжение, тонкий, свет распространяется вдоль волноводного слоя и проходит значительный путь в полупроводнике с сильным полем. При этом незначительные изменения U вызывают сильное изменение поглощения светового пучка. Например, для модулятора на основе GaAs коэффициент поглощения света с α≈0,9 мкм изменяется примерно от 10 до 1·104 см-1 при подключении обратного смещения около 10 В. Из этого следует, что при длине волновода порядка 1 мм пропускание волновода изменится в е100≈1·1043 раз (!). Электрическая мощность, необходимая для столь глубокой модуляции, не превышает ~1·10-4 Вт/мГц.

Введение в оптоэлектронику


*****

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