4.4.2. Интегрально-оптические переключатели, сканеры и зеркала

Для изменения пространственного положения светового пучка в интегральной оптике используют множество способов.

Устройство интегрально-оптического акустооптического дефлектора показано на рис.4.7, а. На подложке из пьезоэлектрического кристалла 1 созданы металлические контакты (встречно-штыревой преобразователь) в виде взаимопроникающих гребенок 2, предназначенных для возбуждения акустической волны, которая передается в нанесенный на подложку волноводный слой 3. Поверхностная акустическая волна (ПАВ) приводит к образованию в волноводном слое чередующихся полос с меньшим и большим показателями преломления света. Попав в зону распространения ПАВ, световой пучок испытывает дифракцию. Если угол падения луча удовлетворяет условию Брэгга (3.11), световая энергия входного пучка практически полностью «перекачивается» в дифрагированный пучок, т. е. первоначальное направление распространения луча изменится на угол 2θб. При изменении частоты ПАВ угол отклонения можно изменять в некоторых пределах. Условие Брэгга при этом не нарушается за счет расходимости светового пучка или (и) акустической волны (как и в объемных акустооптических дефлекторах). Опыт показывает, что число различных положений светового луча на выходе может достигать ~1·103, т.е. рассматриваемое устройство можно использовать не только как оптический переключатель, но и как сканер с приемлемыми для практических задач характеристиками.

Подпись: Рис. 4.7. Устройство акустооптического (а) и электроопти¬ческого  (б) дефлекторов:
1— подложка, 2—металлизированные дорожки, 3 — волно-водный слой

На дифракционных явлениях может основываться действие электрооптических дефлекторов в интегрально-оптическом исполнении. На поверхность планарного волновода (рис.4.7, б), как и в рассмотренном выше сканере, наносят гонкие электроды гребенчатой формы, однако теперь уже к ним прикладывают не переменное напряжение, возбуждающее ПАВ, а постоянное. При этом в электрооптическом материале волноводного слоя возникает модуляция

показателя преломления с периодом, равным удвоенному расстоянию между соседними полосковыми электродами. Для светового луча область волновода под металлическими встречно-штыревыми контактами представляет собой решетку, подобную той, которая создается акустической волной, но, разумеется, неподвижную. Луч света, направленный под углом Брэгга, отклонится на угол 2θб по отношению к входному лучу. Если U=0, направление луча не изменяется. Такой простой в изготовлении дефлектор не позволяет изменять направления луча непрерывно, а только дискретно.

Подпись: Рис. 4.8. Интегрально-оптический     пере¬ключатель, дейст-вующий на яв¬лении полного внутреннего от¬ражения:
1 — подложка,  2 — волноводный слой,  3 — металлические  электроды

Работа интегрально-оптического переключателя может основываться также на создании условий для полного внутреннего отражения в самом волноводном слое (рис. 4.8). На поверхности планарного волновода создают пару параллельных электродов, к которым подключают управляющее напряжение U. Материал волноводного слоя должен быть таким, чтобы под действием электрического поля, действующего параллельно плоскости волновода, его показатель преломления света в промежутке между электродами уменьшался. Это может быть, например, структура, созданная диффузией титана в подложку из ниобата лития. При расстоянии между электродами около 10 мкм и напряжении несколько десятков вольт показатель преломления света уменьшается настолько, что световой пучок испытывает полное внутреннее отражение от оптически менее плотной среды между электродами (см. рис. 4.8). Если U = 0, пучок проходит область между электродами, не испытывая отражения (идет вниз на рис. 4.8). Какие-либо ограничения, подобные условию Брэгга, в данном случае не накладываются: углы падения и отражения просто равны, превышая, разумеется, критический угол полного внутреннего отражения.

Если фотодетектор расположен так, что на него падает либо отклоненный, либо неотклоненный луч, рассмотренные дефлекторы могут применяться и как модуляторы.

Направление распространения светового пучка в оптическом волноводе можно изменить на противоположное, если на некотором участке волновода создать гофрированную структуру, подобную рис. 4.4, б, с периодом, равным половине длины волны распространяющегося света. В этом случае θБ = 90° и условие брэгговской дифракции соответствует равенству 2d=λ, причем угол дифрагированного луча по отношению к падающему (2θБ) составляет 180°. Таким образом, участок волновода с гофрированной периодической структурой по существу представляет собой частотно-селективное зеркало для излучения с длиной волны λ = 2d (а также с длиной волны в два, три и т. д. раз меньше, что соответствует более высоким порядкам дифракции). Для излучения, прошедшего через гофрированный участок, его можно рассматривать как заградительный фильтр для указанной λ. Спектральная ширина как отраженного, так и прошедшего излучения пропорциональна отношению d к длине гофрированного участка и может составлять несколько ангстрем, а то и десятые доли ангстрема.

Для формирования оптических пучков с нужным фазовым фронтом в интегрально-оптических схемах применяются специальные фокусирующие элементы (линзы). Их действие основывается на зависимости эффективного показателя преломления планарного волновода от его толщины и свойств прилегающих материалов.

Подпись: Рис. 4.9. Фокусирующие интегрально-оптические элемен¬ты: линза с наложен-ным слоем со сферическим контуром (а), Люнеберга (б), геодезическая (в), дифракционная планарная линза Френеля (г) и  брэгговского   типа   (д,  е)

Участок волновода с нанесенной на него пленкой со сферическим контуром ведет себя аналогично объемной собирающей линзе (рис. 4.9, а) со свойственными ей аберрациями различного типа. Аберрации уменьшаются, если толщина наложенной пленки не постоянна по площади, а уменьшается от центра к краям по вполне определенному закону (линза Люнеберга) (рис. 4.9, б), причем такую линзу можно сформировать за счет утолщения самого волноводного слоя. Так называемая геодезическая линза (это название, как и линза Люнеберга, перенесено из техники СВЧ) образуется, если перед нанесением волноводного слоя в подложке методом шлифовки и полировки создать углубление сферической формы (рис. 4.9, в). Геодезические линзы не дают хроматических аберраций, поэтому их можно применять в многомодовых волноводах.

Подобно фокусирующей линзе действует участок дифракционной решетки с шагом, уменьшающимся от осевой линии к краям по определенному закону (планарная линза Френеля, рис. 4.9, г). Для фокусировки пучка можно использовать также дифракцию, если штрихи решетки выполнить с изменяющимся наклоном (рис. 4.9, д) или же используя решетку с параллельными штрихами и направляя падающий пучок света под некоторым углом (рис. 4.9, е). Перспективность интегрально-оптических линз дифракционного типа определяется возможностью применения для их изготовления методов планарной технологии. Нужное изменение эффективного показателя преломления может достигаться как за счет создания профиля волноводного слоя, так и изменения показателя преломления материала волновода, нанесения металлических или диэлектрических площадок (штрихов). Очевидно, что все рассмотренные интегрально-оптические линзы могут применяться не только для формирования сходящихся пучков, но и для коллимирования, Фурье-преобразования и т. п.

Введение в оптоэлектронику


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