4.4.3. Полосковые ответвители и модуляторы

Подпись: Рис. 4.10. Полосковый   двухканальный   направленный   ответвитель (а); сечение ответвителей с диэлектрическим мо¬стиком  (б)

Подобно призменным элементам связи и наложенным друг на друга планарным волноводам, параллельно расположенные полосковые волноводы также могут взаимодействовать за счет проникновения светового поля одного волновода в другой (оптического туннелирования). На этом принципе действуют так называемые направленные ответвители (рис. 4.10), широко используемые в интегрально-оптических устройствах.

Для эффективной связи полосковые волноводы располагают достаточно близко друг к другу (на расстоянии w порядка 1 мкм), константы распространения обоих волноводов должны быть равны и, кроме того, длина, на которой происходит их взаимодействие, должна быть вполне определенной. Последнее важно, так как при большой длине взаимодействия световая волна попеременно переходит из одного волновода в другой. Поэтому для односторонней передачи энергии волноводы сближаются, затем на длине l идут параллельно и затем вновь расходятся (рис. 4.10). Ответвители такого типа требуют большой точности их изготовления (~0,1 мкм на расстоянии нескольких миллиметров!) с привлечением уже не фото-, а электронной литографии, обработки ионным пучком вместо химического травления и т. п. Другой способ усиления взаимодействия между волноводами состоит в том, что материал между волноводами удаляется лишь частично (рис. 4.10,б). При этом степень связи волноводов регулируется толщиной «мостика» между ними.

Рассмотренный направленный ответвитель превращается в активный интегрально-оптический элемент, если его снабдить электродами, как показано на рис. 4.11, а. Если к электродам не подключать управляющее напряжение, вся световая энергия, подаваемая на вход, поступает на выход 2. При подключении напряжения к электродам 1 и 2 или 2 и 3 действие электрооптического эффекта приводит к нарушению условия синхронизма, необходимого для передачи световой энергии из одного волновода в другой и связь между ними «выключается». Устройство является электрически управляемым модулятором (переключателем), который в зарубежной литературе обозначают сокращенно COBRA (Commutateur Optique Binaire Rapide). Управляющее напряжение такого типа модуляторов, изготовленных на основе гетероструктуры Ga 1–xAlхAs, составляет 5—10 В, а на LiNb1-xTaxO3—всего 1—2 В.

Подпись: Рис. 4.11. Интегрально-оптические  модуляторы  типа  COBRA  (a),  Maxa — Цендера  (б) и  Цернике  (в)

На другом принципе основано действие модулятора, являющегося интегрально-оптическим аналогом известного в оптике интерферометра МахаЦендера. В этом устройстве используется не переход световой энергии из одного полоскового волновода в другой за счет оптического туннелирования, а интерференция двух фазово-когерентных волн, проходящих разные пути. Работа прибора объясняется схемой, приведенной на рис. 4.11, б. Входной пучок при помощи полосковых волноводов делится на два пучка, которые на выходе снова сходятся. Интенсивность сигнала на выходе, очевидно, зависит от соотношения фаз сходящихся волн. Если на электроды подать напряжение, коэффициенты преломления в разных плечах интерферометра изменятся, т. е. изменится длина оптического пути соответствующей волны. При разности фаз на выходе, равной нечетному числу тс, результирующее световое поле равно нулю и оно не равно нулю, если такое условие не выполняется.

В модуляторах Маха—Цендера, изготовленных на основе ниобата лития или широкозонного полупроводника, примерно 100-кратное изменение выходного сигнала достигается при управляющих напряжениях порядка 10 В. Несколько другая конфигурация волноводов, но по существу тот же принцип действия, у модулятора (переключателя), названного по имени Цернике (рис. 4.11, в). Он включает в себя два элемента связи, а его два состояния задаются двумя уровнями управляющего напряжения Uвыкл и Uвкл.

Введение в оптоэлектронику


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