4.1. Процессы в плоском оптическом волноводе

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

4.3. Ввод-вывод излучения в интегрально-оптических волноводах

4.3.1. Призменный элемент ввода — вывода излучения

4.3.2. Решеточные элементы связи

4.3.3. Оптическая связь плоских волноводов с подложкой и между собой

4.4. Интегрально-оптические модуляторы, дефлекторы и направленные ответвители

4.4.1. Интегрально-оптические модуляторы света

4.4.2. Интегрально-оптические переключатели, сканеры и зеркала

4.4.3. Полосковые ответвители и модуляторы

4.5. Волоконные оптические волноводы

4.5.1. Ступенчатые волоконные световоды

4.5.2. Градиентные и другие типы световодов

4.5.3. Оптические потери в световолокне

4.6. Волоконно-оптические линии связи

4.6.1. Структурная схема и классификация

4.6.2. Оптическое соединение элементов

4.6.3. Особенности источников и приемников излучения в волоконной и интегральной оптике

4.7. Волоконно-оптические датчики

Интегральная оптика — область оптоэлектроники, возникшая в 70-е годы на стыке оптики, физики и технологии интегральной микроэлектроники, впитавшая в себя достижения техники СВЧ, физики поверхностных явлений, оптики тонких пленок и других разделов науки и техники. Она основывается на использовании оптических явлений в миниатюрных плоских диэлектрических волноводах, а также других элементах, изготовленных на общей подложке и образующих так называемую интегрально-оптическую схему, предназначенную для обработки информации оптическими и оптоэлектронными методами. По существу интегрально-оптическая схема—своеобразный оптический аналог электронной интегральной микросхемы (отсюда и ее название). В общем случае интегрально-оптическая схема включает в себя тонкопленочные источники оптического излучения (некогерентные и лазерные диоды), фотоприемники, оптические модуляторы, переключатели, дефлекторы, фильтры и другие интегрально-оптические элементы, соединенные между собой плоскими световодами и играющими роль, аналогичную электрическим проводникам (металлическим «дорожкам») в интегральных микросхемах. Интегрально-оптические элементы имеют специфические конструктивные и технологические особенности по сравнению с их аналогами в «дискретном» исполнении. Управление ими производится подачей электрических сигналов на соответствующие контактные площадки при помощи электронных устройств, в том числе и отдельных узлов микросхем, изготовленных на общей с интегрально-оптическими элементами подложке.

Как правило, работа интегрально-оптической схемы предполагает также ее оптическую стыковку (сочленение) со световыми волокнами — тонкими прозрачными нитями обычно круглого сечения. Передача оптического излучения по волокнам имеет важное практическое значение, в связи с чем сформировалось относительно самостоятельное направление оптоэлектроники—-волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Развитие ВОЛС в значительной степени зависит от успехов в преодолении проблем интегральной оптики.

4.1. Процессы в плоском оптическом волноводе

Базовым элементом интегральной оптики является плоский оптический волновод, представляющий собой тонкий диэлектрический слой с показателем преломления п_в на подложке с показателем преломления п_п меньшим п_в. Поверх волноводного слоя может быть нанесен покровный слой с показателем преломления п_отакже меньшим п_в (в наиболее распространенном случае п_в > п_п > п_о). Обязательное требование к материалу оптического волновода (а также к подложке и покровному слою, как будет ясно из изложенного ниже) — оптическая прозрачность в используемом спектральном диапазоне и совершенство поверхностей раздела волноводной структуры.

Процессы, происходящие в плоском диэлектрическом волноводе, интерпретируются на основе геометрической (лучевой) оптики, которая по необходимости дополняется более общей волновой теорией.

В диэлектрическом волноводе толщиной порядка длины волны используемого света, находящейся обычно в пределах 0,1 —10 мкм, наблюдается ряд явлений, не рассматриваемых в обычной оптике, а аналогичных происходящим в диэлектрических радиоволноводах СВЧ-диапазона. В зависимости от соотношения показателей преломления п_в, п_п и п_о, а также от угла падения световой волны на границе раздела волна может либо канализироваться в волноводном слое (направленная, волноводная мода), либо выходить в подложку или покровный слой (излучательные, радиационные моды).

Рассмотрим планарную структуру, изображенную на рис. 4.1. На плоскую торцевую поверхность волноводного (световедущего) слоя направим луч света под углом θ к нормали. Часть световой энергии отразится от торцевой поверхности под углом, равным углу падения θ, а преломленная волна попадет в волноводный слой под углом преломления θ_t, связанным с углом θ законом преломления

(4.1)

(предполагается, что падающий луч распространяется в среде с п=1). При изменении угла θ должен также изменяться и угол падения на поверхность раздела волновода с подложкой и покровным слоем θ_В, причем θ_в = π/2 — θ_t если оба угла отсчитывать от нормалей к поверхностям раздела. Поскольку п_в больше n_п и n_о, то при достаточно больших углах θ_В (малых θ) имеет место явление полного внутреннего отражения, заключающееся в том, что преломления света на верхней и нижней границах волновода не происходит и вся энергия уносится отраженной волной, т. е. возвращается в оптически более плотную среду. Критический угол падения, больше которого наступает полное внутреннее отражение, зависит от соотношения показателей преломления материалов по обе стороны от поверхности раздела. Для верхней и нижней границ раздела при п_п ≠п₀ эти углы различаются и соответственно составляют

, (4.2)

, (4.3)

причем наиболее часто φ_о заметно меньше φ_п (значение п_В – п₀ составляет десятые доли или даже единицы, а п_В — п_П— всего 10^-2-10^-4).

Если угол падения луча на поверхность волновода θ_В меньше как φ_о, так и φ_п (луч 1 на рис. 4.1), полного внутреннего отражения не происходит ни на одной поверхности волноводного слоя. Свет будет частично отражаться от верхней его границы и частично преломляться, выходя в покровный слой или окружающее пространство. Отраженный от верхней границы свет, подойдя к нижней поверхности раздела, также частично отразится в волноводный слой, а частично преломиться в подложку. Это соответствует излучательной воздушной моде, хотя в рассмотренном случае часть световой энергии излучается в подложку.

Если же угол θ уменьшить так, что угол θ_В станет больше критического угла для границы раздела волновода с покровным слоем (воздухом) φ₀, определяемого (4.3), луч, распространяющийся в волноводе, испытает полное внутреннее отражение от верхней границы волновода, а от нижней отразится только частично. Таким образом, при φ_о<θ_в<φ_п световая энергия будет попадать преимущественно в подложку (мода подложки).

Наконец, при θ_В больше как φ₀, так и φ_п луч, попавший в волноводный слой, испытает внутреннее отражение не только на верхней, но и на нижней его поверхностях (волноводная мода).

Очевидно, что для канализации излучения угловые отклонения θ падающего на торец волновода пучка должны быть меньше, чем это соответствует равенству

, (4.4)

или, используя выражение (4.2) для φ_п, после преобразований обратных тригонометрических функций, получим

. (4.5)

Величину NA, определяемую (4.5), называют числовой апертурой волновода.

Волноводные моды являются практически наиболее важными, поскольку используются для передачи световой энергии вдоль волновода. Тем не менее свойства подложки и покровного материала влияют на волноводные моды. Это объясняется тем, что при полном внутреннем отражении световая волна проникает в оптически менее плотную среду—явление, называемое нарушенным полным внутренним отражением. Оно аналогично квантово-механическому туннелированию микрочастиц в область, где ее полная энергия меньше высоты потенциального барьера. Интенсивность проникающей за границу раздела световой волны экспоненциально убывает по мере удаления от границы, поэтому в качестве количественной характеристики нарушения внутреннего отражения используют некоторую эффективную глубину проникновения (расстояние, на котором интенсивность света убывает в е раз), значение которой зависит от угла падения и соотношения коэффициентов преломления контактирующих материалов. Применительно к рассматриваемой волноводной структуре эффективные глубины проникновения световой волны в покровный слой h₀ и подложку h_п соответственно составляют

(4.6)

(4.7)

т. е. суммарное эффективное увеличение толщины волноводного слоя (эффект Гуса — Хенхена) составляет h_o + h_П (ω — круговая частота, с—скорость света в вакууме).

Эффект Гуса-Хенхена важен не только потому, что приводит к увеличению эффективной толщины волноводного слоя по сравнению с его действительной (геометрической) толщиной h, но и в связи с тем, что в результате поглощения света в покровном слое и подложке (если только они не идеально прозрачны) коэффициенты отражения оказываются меньше единицы, т.е. полного отражения световой энергии нет. Согласно (4.6) и (4.7) глубина проникновения волноводной моды в подложку заметно больше, чем в покровный слой, поскольку п_В и п_П обычно отличаются мало. Поэтому для сведения к минимуму ослабления волноводной моды особенно важно, чтобы материал подложки был как можно более прозрачным.

При зигзагообразном распространении луча в плоском волноводе (рис. 4.1) расстояние, пройденное световой волной вдоль волновода, меньше длины траектории луча и особенно при малых углах θ_В. В связи с этим при описании волноводных мод вместо волнового числа k_λ=(ω/c)n_B вводят его составляющую вдоль направления распространения света, которую называют константой распространения

, (4.8)

а величину

(4.9)

называют эффективным показателем преломления волновода. Максимальное значение п_эф, очевидно, равно п_В(при θ_В = π/2), а минимальное — п_П, что соответствует условию существования волноводной моды θ_в=φ_п. Итак,

, (4.10)

что согласно (4.8) определяет пределы изменения константы распространения

. (4.11)

Для образования распространяющейся в диэлектрическом слое световой волны, кроме внутреннего отражения, должно выполняться также условие согласования фаз: фазовые сдвиги, накапливающиеся после двух отражений от верхней и нижней поверхностей волноводного слоя (на одном зигзаге), должны быть кратными 2π (если этого нет, волны интерферируют так, что гасят сами себя). Условие согласованности светового поля в плоском волноводе приводит к характеристическому уравнению

, (4.12)

где m = 0, 1, 2, ..., а ψ_о и ψ_п—сдвиги фаз на границах волновода с покровным слоем и подложкой соответственно. Решение уравнения (4.12) численными методами приводит к принципиально важному результату: для данной длины волны λ (частоты света ω) и толщины световодного слоя возможен дискретный набор значений угла падения волны на поверхности раздела θ_B = θ_m, т.е. в волноводном слое световая энергия переносится дискретными модами, каждой из которых соответствует угол θ_т и в согласии с (4.8) и (4.9) — эффективный показатель преломления п_ти константа распространения β_т(т называют модовым числом). Для данной λ существует некоторая минимальная (критическая) толщина h_кp, соответствующая только одной волноводной моде:

, (4.13)

где предполагается распространенный случай, когда п_В и п_Пмало отличаются, т. е. п_В+ п_П≡2п_В>>п_В — п_П= Δn. Если h<h_кp, канализации света в волноводном слое не происходит; при увеличении h по сравнению с h_кp появляется возможность существования двух, трех и т. д. волноводных мод; большему т соответствует мода с меньшим углом θ_т.

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.

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 п_В, наложенной на подложку с показателем преломления п_П<п_В (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, д). Используют также другие конфигурации полосковых волноводов (рис. 4.2, б, 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 ε_о—электрическая постоянная; т_п—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.

4.3. Ввод-вывод излучения в интегрально-оптических волноводах

Трудности ввода излучения в интегрально-оптический волновод обусловлены прежде всего тем, что пучок излучения используемых источников, включая и лазерные, имеет заметно большую ширину, чем толщина световодного слоя (а то и его ширина). Проблема усугубляется эффектами отражения, дискретностью возбуждаемых в волноводе мод и т. п. Предложено несколько методов ввода—вывода излучения в интегрально-оптических схемах, разработаны предназначенные для этого устройства, которые обычно называют элементами связи.

Принципиально наиболее простым способом ввода излучения в плоский волновод является его непосредственная фокусировка на торец световедущего слоя при помощи линзы (рис.4.3, а). Несмотря на простоту, такой способ ввода излучения в световод требует субмикронной юстировки и применяется практически только в лабораторных условиях при использовании газовых лазеров. Если же источником излучения является полупроводниковый лазер, применяется торцевая безлинзовая стыковка с волноводной структурой (рис. 4.3, б). Обычно после точной юстировки лазер жестко скрепляют с волноводной структурой при помощи оптического клея, эпоксидной смолы и т. п. Несмотря на принимаемые меры, эффективность ввода излучения при торцевом соединении лазера и волновода все же оказывается низкой.

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

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 п_В. 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 туннелирование). Условие (4.18) теперь уже не противоречит условию п_эф< 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.

4.3.2. Решеточные элементы связи

Устройство призменного элемента связи противоречит важнейшей концепции интегральной оптики, согласно которой все элементы должны быть тонкопленочными. Планарным и более технологичным является так называемый решетчатый элемент связи, представляющий собой серию близко расположенных штрихов (гофров) на поверхности волноводного слоя (рис. 4.4, б). Расстояние между штрихами на таком гофрированном участке d должно быть порядка длины волны света, вводимого в световедущий слой. Из геометрических соображений следует, что при угле падения светового пучка θ₀ (к нормали поверхности) разность фазы, соответствующая соседним штрихам, равна k_λdsin θ₀. Волноводная мода возбуждается в том случае, если эта разность фаз кратна 2π:

(4.19)

или

, (4.20)

где т = 0, ±1, ±2, ... . Таким образом, этот элемент связи можно применять для передачи энергии вполне определенной волноводной моде, варьируя угол падения пучка. Длина гофрированного участка в направлении распространения волноводной моды должна быть примерно такой же, как ширина оптического пучка, причем правые края пучка и решетки должны совпадать.

Эффективность ввода излучения в волновод с использованием решеточного элемента связи обычно составляет 10—30%, хотя теоретический предел должен быть близким к 100%. Решеточные элементы являются составной частью волноводной структуры, и проблемы оптического и механического контактов исчезают. Для их изготовления не требуются материалы с большим по сравнению с волноводом показателем преломления света. Это существенно, в частности, для волноводных структур на основе полупроводников, показатель преломления для которых обычно находится в пределах 2,4—3,4, т. е. достаточно велик.

Для создания четких близко расположенных штрихов их либо наносят на поверхность волновода, либо вытравливают в самом волноводе. И в том, и в другом случае применяют известные методы фотолитографии.

Очевидно, что решеточный элемент связи, подобно призменному, можно использовать и для вывода световой энергии из волноводного слоя; при этом различным модам, разумеется, соответствуют разные углы выходящего пучка.

4.3.3. Оптическая связь плоских волноводов с подложкой и между собой

Вывод излучения из волновода в подложку относительно просто осуществить, используя сужающийся (клиновидный) конец волновода (рис. 4.5). Волноводная мода, подойдя к клиновидному участку, испытывает многократные отражения, но с постоянно уменьшающимися углами падения на поверхностях раздела как с подложкой, так и с покровным слоем. Как только угол падения окажется меньше угла φ_П внутреннего отражения для поверхности раздела волновод — подложка (для границы раздела волновод—покровный слой это согласно (4.2) и (4.3) произойдет позже, так как п_П заметно больше п₀), начинается преломление волноводной моды в подложку. При одном преломлении выводится только часть энергии волноводной моды, поэтому волна продолжает зигзагообразно распространяться вдоль сужающегося края волновода, каждый раз излучая все меньшую и меньшую энергию в подложку (на рисунке это условно отражено укорочением стрелок). На каком-то этапе угол падения на верхнюю границу может стать меньше соответствующего угла внутреннего отражения φ₀ и энергия станет излучаться в воздух (штриховые стрелки), что приводит к потерям. Чтобы этого не происходило, сужение конца волновода должно быть плавным. Реально достигаемая эффективность вывода энергии в подложку составляет 50—70%. Необходимо также учитывать, что излучаемый в подложку пучок расходящийся: 1—20° в зависимости от угла сужения конца волновода (вблизи волновода, как изображено на рисунке, пучок сходящийся, вдали — расходящийся). Это в большинстве случаев ограничивает применение сужающего конца волновода, особенно если при его помощи вводить излучение из подложки в волновод.

Для передачи световой энергии из одного волновода в другой торцевое (стыковое) соединение, несмотря на его принципиальную простоту, в интегрально-оптических устройствах применяют относительно редко. Способ передачи световой энергии из одного планарного волновода в другой иллюстрирует рис. 4.6. Между волноводами в области их перекрытия имеется тонкий слой материала с показателем преломления п₀<п_В; как обычно, п_В больше коэффициента преломления подложки п_П. За счет наложения волноводов друг на друга через слой с меньшим показателем преломления п₀ происходит оптическое туннелирование. Для эффективной передачи энергии промежуточный слой должен быть тонким и однородным по толщине, а константы распространения двух волноводов одинаковыми. Кроме того, как и в случае призменного и решеточного элементов связи, должна тщательно выбираться длина взаимодействия.

4.4. Интегрально-оптические модуляторы, дефлекторы и направленные ответвители

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 п_в и подложки п_п 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 U_исх) показатель преломления п_в 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.

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 2θ_б. 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.

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 тонкие 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 2θ_б 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.

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 θ_Б = 90° и условие брэгговской дифракции соответствует равенству 2d=λ, причем угол дифрагированного луча по отношению к падающему (2θ_Б) 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.

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.

4.4.3. Полосковые ответвители и модуляторы

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–xAl_хAs, составляет 5—10 В, а на LiNb_1-xTa_xO₃—всего 1—2 В.

На другом принципе основано действие модулятора, являющегося интегрально-оптическим аналогом известного в оптике интерферометра Маха—Цендера. 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 U_выкл и U_вкл.

4.5. Волоконные оптические волноводы

4.5.1. Ступенчатые волоконные световоды

Подобно плоским диэлектрическим волноводам в интегрально-оптических схемах, волоконные световоды различной длины применяют для направленной передачи оптического излучения, которое вводят через торцевой (обычно плоский) конец световолокна. В простейшем случае оптическое волокно представляет собой тонкую нить круглого сечения из прозрачного в нужной спектральной области материала (стекло, кварц, различные полимеры). Канализация света в нем основывается на явлении полного внутреннего отражения. Как в прямолинейном, так и в изогнутом волоконном световоде канализированные волны можно наглядно представить лучами, распространяющимися зигзагообразно, под углами к его оси и каждый раз испытывающими полное внутреннее отражение на поверхности раздела. Разумеется, для этого необходимо, чтобы коэффициент преломления материала световода был обязательно больше коэффициента преломления окружающей его среды.

Пучок света, испытывая полное внутреннее отражение и распространяясь в однородной прозрачной нити, в идеальном случае не должен терять энергию, т. е. постепенно затухать. Однако практически потери все же происходят. Учитывая большую длину волокна (в отличие от плоского волновода в интегрально-оптических схемах), они могут оказаться значительными. Как будет показано ниже, заметная часть потерь приходится прежде всего на рассеяние света на поверхности волокна, т. е. происходящие в световолокне процессы подвержены влиянию окружающей среды и внешних воздействий. Это, а также низкая механическая прочность делают тонкую прозрачную нить непригодной для непосредственного применения в качестве световода.

Положение радикально изменяется при переходе к двухслойному световоду, представляющему собой световедущую сердцевину (жилу), покрытую оболочкой из материала, показатель п₀ которого меньше, чем жилы п_в. Как и в интегрально-оптическом волноводе, при полном внутреннем отражении световая волна несколько проникает в оболочку, поэтому, для того чтобы волна не затухала, в соответствующей области спектра оболочка должна быть прозрачной. Необходимо также обеспечить высокое совершенство границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Если толщина оболочки превышает несколько длин волн света, интенсивность световой волны, достигающей внешней поверхности оболочки, оказывается пренебрежимо малой. Поэтому на процесс распространения канализируемых в сердцевине волн состояние поверхности оболочки практически не влияет. Световод со ступенчатым профилем коэффициента преломления можно покрыть еще одной защитной, упрочняющей, например полимерной, оболочкой, снабдить армирующими элементами, обеспечивающими необходимую механическую прочность и стойкость к воздействиям окружающей среды, т. е. превратить волоконный световод в оптический кабель, пригодный для практического использования. Оптический кабель может содержать как один, так и множество световодов, включать в себя, кроме того, электрические провода для обеспечения питания, например, удаленных электронных устройств.

В волоконном световоде лучи испытывают полное внутреннее отражение от цилиндрической поверхности сердцевины. Угол падения луча на эту поверхность (отсчитываемый, как и ранее, от нормали к ней) зависит от направления луча, падающего на входной торец световода. Канализируются только те лучи, которые ограничены конической поверхностью, образующей с осью световода угол θ_а, определяемый выражением, аналогичным числовой апертуре плоского волновода (4.5), но с заменой п_п на п₀- Числовая апертура — важная характеристика волоконного световода. Лучи, падающие на торец световода под углом, выходящим за пределы θ_а, не испытывают полного внутреннего отражения от поверхности сердцевины, преломляются в оболочке и могут приводить к нежелательным паразитным связям, например, между световодами в многожильных кабелях. Для их устранения желательно, чтобы вторая защитная оболочка была светопоглощающей.

Диаметр сердцевины волоконного световода может в зависимости от его назначения составлять от нескольких микрометров до нескольких сотен микрометров, а толщина оболочки — от нескольких десятков микрометров вплоть до миллиметра (один из стандартных диаметров оболочки — 125 мкм). Когда диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны света, по световолокну, как и по плоскому волноводу, может распространяться только дискретная совокупность волн. Им соответствуют различные углы падения лучей на поверхность раздела сердцевина — оболочка, а это, в свою очередь, приводит к различной длине пути, которые проходят лучи (рис. 4.12, а). В результате передаваемый по световоду сигнал искажается. Если на вход световода подать короткий световой импульс (например, при использовании ИКМ), то при достаточно большой длине может случиться, что на выходе импульсы, переносимые разными модами, окажутся разделенными по времени, т. е. на выходе вместо одного импульса появится серия импульсов. Если входной импульс удлинять, то серия импульсов на выходе в конце концов сольется в один импульс увеличенной длительности. По этой причине нельзя беспредельно увеличивать частоту модуляции распространяющегося по волноводу сигнала: период модуляции, по-видимому, должен превышать разницу времени прохождения световода отдельными модами. Разница во времени прохождения отрезка световолокна длиной l для осевого луча и наиболее отклоненного луча (когда еще возможно полное внутреннее отражение) примерно составляет

, (4.22)

где с—скорость света в вакууме. Время Δt для l = 1 км и типичного значения Δп = 1·10^-2 составляет несколько десятков наносекунд, что соответствует предельной частоте модуляции несколько десятков мегагерц (верхняя граничная частота, выраженная в герцах, по величине приближенно равна скорости передачи информации в битах в секунду). Принято говорить, что такие искажения сигнала (не связанные с немонохроматичностью света!) обусловлены межмодовой (модовой) дисперсией.

Волоконный оптический волновод может работать и в одномодовом режиме. Для этого нужно, чтобы выполнялось условие, аналогичное (4.15) для плоского волновода (под h_кр в таком случае нужно подразумевать диаметр сердцевины волокна). Таким образом, для одномодового режима диаметр световолокна и различие показателей преломления Δп = n_в — п₀ должны быть достаточно малыми.

В одномодовых световодах межмодовая дисперсия как таковая не проявляется. Качественная передача сигнала в этом случае все же ограничена тем, что используемое излучение не может быть строго монохроматическим, а занимает конечный спектральный интервал. Из-за этого возникает материальная дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления сердцевины п_в, а значит, и скорости распространения от длины волны света. Если принять, что ширина спектральной полосы полупроводникового лазера составляет несколько нанометров, а световода — несколько десятков нанометров, то различие во времени прохождения пути длиной 1 км для граничных длин волн полосы излучения составит по порядку величины 1·10^-10 с, т. е. предельные частоты модуляции сигнала равны 1·10¹⁰ и 1·10⁹ Гц.

Возможны также другие виды дисперсии, проявляющиеся в тех случаях, когда межмодовую и материальную дисперсии удается свести к минимуму. Рассмотрение на основе волновой теории показывает, что даже в одномодовом режиме скорость распространения света по волокну зависит от частоты независимо от материальной дисперсии. Этот вид дисперсии называют волноводной (внутримодовой). С практической точки зрения важно, что в определенном спектральном интервале материальная и волноводная дисперсии могут компенсировать друг друга. При этом может проявиться еще один вид дисперсии, обусловленный тем, что, например, из-за механических напряжений в волокне, отклонения формы сердцевины от цилиндрической световые волны со взаимно ортогональной поляризацией распространяются с различными скоростями. Такая дисперсия, называемая поляризационной, приводит к уширению светового сигнала на величину порядка 1·10^-11 с при длине волокна 1 км. Как следует из изложенного, для всех видов дисперсии уширение импульса пропорционально длине световолокна. Поэтому пропускную информационную способность приводят к единице длины световолокна, а полосу пропускания выражают в мегагерцах-километрах или гигагерцах-километрах.

Следует иметь в виду, что широкая полоса пропускания одномодового световода достигается ценой усложнения технологии изготовления и его эксплуатации. Эффективное введение энергии в одномодовый световод требует того, чтобы и источник излучения был одномодовым лазером (согласование со светодиодом получается плохим). К этому нужно также добавить, что числовая апертура одномодового волокна заметно меньше, чем многомодового: 0,1 и 0,2—0,3 соответственно.

4.5.2. Градиентные и другие типы световодов

Изменение показателя преломления на границе между сердцевиной и оболочкой двухслойного волокна обычно происходит не скачком, как показано на рис. 4.12, а, в большей или меньшей мере плавно. На практике применяют также волоконные световоды, у которых сердцевина изготовлена заведомо такой, чтобы показатель преломления постепенно убывал от максимального значения на его оси до минимального значения на его поверхности (рис. 4.12,6). Второй прозрачный слой (как у двухслойного световода) отсутствует; световедущая жила может быть защищена непосредственно эластичной упрочняющей оболочкой. Волоконные световоды такого типа называют градиентными, граданами или селфоками (последнее от англ. self-focusing — самофокусирующийся).

Лучи, распространяющиеся вдоль оси градиентного световода, не отклоняются, а направленные под углом к ней, испытывают рефракционное искривление траектории (явление, подобное рефракции в атмосфере Земли, газовой оболочке Солнца и т. п.). Если луч введен в световолокно под малым углом к его оси, он изгибается сравнительно слабо и возвращается к оси. Лучи, введенные в градиентный световод под большими углами, заходят в области световода, которые отстоят дальше от его оси. При этом, однако, они распространяются быстрее, так как при удалении от оси показатель преломления уменьшается (v=с/n_в). Возникает возможность уравнять времена распространения лучей, падающих на торец световода под разными углами, задавая необходимый закон изменения п_в(х) (рис. 4.12,б). Как показывают расчеты, таким свойством обладает световедущее волокно, в котором п_в убывает от его оси к периферии по квадратичному закону. Для всех волноводных мод оптическая длина пути в этом случае практически одинакова, т. е. модовая дисперсия в таком световоде резко ослаблена.

При использовании волоконных световодов возникает проблема, связанная с тем, что в длинноволновой спектральной области (λ≥1,7÷1,8 мкм) хорошо освоенные стекла, используемые для изготовления световолокон, сильно поглощают излучение. Они поэтому не могут служить световедущим материалом для среднего и дальнего инфракрасного диапазона. Для этой спектральной области могут применяться так называемые газодиэлектрические световоды. Такой световод представляет собой микрокапилляр (тонкую стеклянную трубку), заполненный газом, показатель преломления которого больше, чем воздуха, окружающего микрокапилляр снаружи, но меньше, чем стекла (рис. 4.12,в). Для этого капилляр наполняют, например, углекислым газом или же воздухом под давлением. В такой конструкции реализуется такое же соотношение показателей преломления, как в плоском диэлектрическом волноводе на подложке без защитного слоя. Существует некоторый интервал углов по отношению к оси волновода, когда световой пучок превращается в излучательную моду подложки. В рассматриваемом случае это приводит к канализации волны, распространяющейся во внутренней плоскости микрокапилляра. Распространяясь зигзагообразно, световой пучок каждый раз дважды проходит стенку капилляра. Канализироваться за счет отражения от внутренней стенки капилляра луч не может, так как при этом полное внутреннее отражение невозможно. Излучение в стенках капилляра поглощается, однако они могут быть сделаны тонкими, в результате чего потери можно уменьшить вплоть до 100 раз по сравнению с монолитным световодом, имеющим диаметр, равный диаметру капилляра. Оптическое волокно можно изготовить, заполняя кварцевый капилляр прозрачной жидкостью с подходящими свойствами, например тетрахлорэтиленом.

В некоторых случаях могут представлять интерес волоконные световоды, выполненные в виде тонкой кварцевой жилы, подвешенной внутри микрокапилляра. Роль светоотражающей оболочки в этом случае играет воздух, находящийся в пространстве между жилой и внутренней поверхностью капилляра, поэтому для изготовления капилляра можно использовать низкокачественное стекло. Форма сечения жилы может быть самой разной.

4.5.3. Оптические потери в световолокне

Для уменьшения оптических потерь и искажений сигнала сердцевина волоконного световода должна иметь цилиндрическую форму, диаметр ее должен быть строго выдержан, а поверхность раздела с оболочкой содержать как можно меньше дефектов. Однако в большинстве практических случаев ставятся, кроме того, жесткие условия на качество и чистоту материалов для самой сердцевины световолокна — прежде всего кварца и многокомпонентных стекол. Обнаружилось, что световолокна, входящие в жгуты и используемые для осмотра внутренних органов человека еще с 50-х годов, совершенно неприемлемы для передачи оптических сигналов на расстояния, превышающие сотни, а то и десятки метров. Затухание света, которое при длине жгута около 1 м составляло несколько децибел в видимой области спектра, потребовалось существенно ослабить.

Оптические потери в сердцевине волоконного световода обусловлены абсорбцией (поглощением) и рассеянием.

Значительные абсорбционные потери в видимой области спектра связаны с наличием в стекле или кварце примесей, главным образом железа, меди, хрома, никеля и др. Поглощение света этими примесями в виде относительно широких спектральных полос зависит не только от их концентрации, но и от зарядового состояния (двух- или трехзарядные ионы железа, одно- или двухзарядные ионы меди и т. п.), поэтому оптические потери световолокна зависят от технологического режима его изготовления.

В тщательно очищенном стекле (при содержании примеси менее 10^-7 —10^-9, т.е. в материале полупроводниковой чистоты) полосы поглощения примесного характера все же наблюдаются (рис. 4.13). Эти полосы приходятся на ближнюю инфракрасную область спектра (0,8—3 мкм) и связаны со следами воды (гидроксильных групп ОН). Если от влаги удается избавиться, остается поглощение света самой матрицей стекла (кварца). Такое поглощение резко усиливается по мере увеличения длины волны, начиная с λ≥1,5 мкм. Однако и в коротковолновой области светопотери также имеют место, но обусловлены уже другой причиной — рассеянием света на имеющихся в стекле или кварце пузырьках, кристаллических включениях и т. п. Если и эти факторы устранены, остается так называемое рэлеевское рассеяние, вызванное флуктуациями плотности или состава материала световода по объему. Характерная особенность рэлеевского рассеяния состоит в резкой зависимости потерь от длины (~λ^-4). Для наиболее совершенных световодов спектральный ход потерь представляется в области λ≤1,2 мкм монотонно убывающей с увеличением λ зависимостью (рис. 4.13). Минимум потерь в кварцевых световодах, определяемых только фундаментальными механизмами, а не примесями и дефектами, приходится на спектральную область 1,2—1,7 мкм (в многокомпонентных германатных стеклах 1,6—4,5 мкм) и составляет несколько десятых долей децибел на километр. Известны материалы, подходящие для изготовления световолокон, с еще меньшими светопотерями в соответствующих спектральных областях. Среди них, в частности, бромистый и бромоиодистый таллий (5,5—5,6 мкм), фторидные стекла (2—4 мкм) с минимумом потерь 10^-2— 10^-3 дБ/км. Однако оптические потери в световолокнах, изготовленных из этих материалов, оказываются из-за несовершенства технологии на несколько порядков больше указанной величины.

В качестве материала для изготовления световолокна применяют также различные полимеры, например полиметилкрилат (плексиглас), полистирол. Однако полимерные волокна (обычно многомодовые, диаметром несколько сотен микрометров, с большой апертурой) пригодны только для связи на небольшие расстояния, поскольку оптические потери в них составляют 10²—10³ дБ/км, причем минимум потерь приходится на область 0,5—0,7 мкм. Такие световолокна не могут использоваться при температурах выше 60—80° С. Их временная стабильность значительно ниже по сравнению со стеклянными световодами, которые могут служить десятки лет. Важнейшее достоинство полимерных волоконных световодов—простота изготовления и низкая стоимость.

Предложено несколько методов изготовления волоконных световодов. Принципиально наиболее простым представляется использование для изготовления двухслойного волокна тиглей с воронкообразным дном, вставленных друг в друга. Тигли изготовляют из высокочистого тугоплавкого материала (кварц, платина) и заполняют расплавленной стекломассой: внутренний —с большим показателем преломления, наружный—с меньшим (за счет легирования бором, фтором, германием, фосфором и другими элементами). Стекломасса вытекает из центрального круглого отверстия и охватывающего его кольцевого (сдвоенная концентрическая фильера), образуя тонкое двухслойное волокно. Метод двойного тигля пригоден для изготовления как стеклянных, так и полимерных волокон сколь угодно длинных отрезков.

Возможен способ получения световолокна, заключающийся в том, что стеклянный стержень выдерживают определенное время в соляном расплаве, в результате чего происходит ионный обмен между стержнем и расплавом и показатель преломления приповерхностного слоя стержня уменьшается. Затем один из концов заготовки расплавляют и заготовку постепенно вытягивают в тонкое волокно, разумеется, ограниченной, но все же большой длины (10—100 км) и покрывают защитным полимерным материалом. Более совершенно получение стеклянных световодов методом осаждения из паровой фазы, когда через кварцевую трубу, помещенную в печи, в потоке кислорода пропускают SiCl₄ с добавкой ВСl₄, в результате чего на внутренней стенке трубы осаждается слой боросиликатного стекла. Затем подачу ВС1₄ прекращают, чтобы осаждалось стекло, имеющее показатель преломления больший, чем боросиликатное. При температуре размягчения кварца силы поверхностного натяжения сжимают заготовку, трубка уменьшается в диаметре и «захлопывается». Полученный трехслойный стержень вытягивают в тонкое волокно с сердцевиной из чистого стекла, окруженной боросиликатной оболочкой, которая, в свою очередь, защищена слоем кварца, образовавшегося из исходной кварцевой трубы. Аналогично можно получить кварцевые волокна с добавками, содержащими фтор или же германий, фосфор, титан и другие элементы соответственно для уменьшения или увеличения показателя преломления. Парофазный метод позволяет достаточно хорошо контролировать режимы осаждения слоев, а использование чистых реагентов — получать световолокно с малыми оптическими потерями. Этот метод позволяет также по нужному закону плавно изменять показатель преломления осаждающихся слоев, что достигается изменением соотношения концентрации реагентов по соответствующей программе. Можно, в частности, получить селфок, у которого коэффициент преломления по радиусу изменяется по закону, близкому к оптимальному с точки зрения ослабления межмодовой дисперсии. Заготовку, с которой вытягивают волокно, можно изготовить, осаждая слои нужного состава не на внутреннюю поверхность трубы, а на поверхность кварцевого стержня.

4.6. Волоконно-оптические линии связи

4.6.1. Структурная схема и классификация

Создание стеклянных световодов с малыми потерями, быстродействующих источников когерентного излучения и фотоприемников сделало возможным практическое применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), привлекательных по целому ряду причин. Это прежде всего широкополосность и огромная информационная емкость, свойственная оптическим методам передачи и обработки сигналов, практически полная защищенность от внешних электромагнитных воздействий и межканальных взаимонаводок, эксплуатационная безопасность. Для доступа к распространяющемуся по световолокну сигналу оптический кабель нужно разрушить (разорвать), т. е. ВОЛС обеспечивает скрытность передачи информации. Замена цветных металлов материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами, потенциально простая технология производства волоконно-оптических кабелей существенно удешевляют линии связи. Стеклянные световоды могут работать при высоких температурах, обладают химической стойкостью, малым весом, поперечным сечением и т. п. Таким образом, ВОЛС по важнейшим показателям превосходит все другие системы связи (но, конечно, непригодны для связи с движущимися и космическими объектами).

Ключевым элементом, в значительной степени определяющим достоинства волоконно-оптических систем связи, является световод с малыми оптическими потерями. Типичные значения затухания сигнала в стеклянном многомодовом световолокне составляют 3—4 дБ/км в спектральной области 0,8—0,9 мкм (согласующейся с арсенид-галлиевыми источниками излучения) и 0,5—1 дБ/км в области 1,3—1,6 мкм. Минимальные потери для чистого кварцевого волокна приходятся на длину волны 1,55 мкм и составляют 0,14—0,16 дБ/км, а в распространенном случае легирования сердцевины диоксидом германия — 0,2—0,3 дБ/км, что соответствует ослаблению сигнала 1—2% на 1 км и позволяет осуществлять безретрансляционную связь на больших расстояниях вплоть до ста километров (в земной атмосфере ослабление излучения с длиной волны 1 мкм составляет ~100 дБ/км, т. е. на расстоянии 1 км более чем в 1•10⁹ раз). Привлекательность диапазона 1,2—1,5 мкм обусловлена еще и тем, что в кварцевом стекле в этой спектральной области наименьшая материальная дисперсия (для λ≈1,3 мкм она «нулевая») и, кроме того, радиационная стойкость заметно выше, чем для λ =0,8 ÷ 0,9 мкм.

Относительно короткая ВОЛС состоит из светодиода, оптического кабеля и фотодиода. Тем не менее даже в этом простом случае возникает целый ряд проблем: оптическое сочленение световолокна с источником излучения и фотоприемником, их согласование по спектрам и быстродействию, позволяющие реализовать преимущества оптической связи, и др. Для повышения надежности и удобства работы светодиод или полупроводниковый лазер, электронную микросхему, дискретные элементы, узел оптической стыковки вместе с разъемом для соединения со световолокном собирают в виде единого устройства, называемого квантово-электрониым модулем (КЭМ). Для поддержания выходной мощности излучения неизменной при изменении температуры, а также в результате деградационных процессов в КЭМ используют обратную связь. Для этого в передающий КЭМ устанавливают фотодиод, на который попадает излучение источника и сигнал с которого подают на электронную схему. Изменение выходной мощности компенсируется автоматическим изменением силы тока через светоизлучающий или лазерный диод. Подобно передающему КЭМ на базе фотоприемника (обычно фотодиода) компонуют приемные КЭМ.

Информационную емкость ВОЛС можно увеличить за счет спектрального уплотнения канала, т. е. передачи по одному световолокну излучения с различной длиной волны. Для этого требуются источники, работающие на разных, но достаточно близких длинах волн, а также устройства объединения оптических каналов на входе и их разделения на выходе волоконной линии — мультиплексоры и демультиплексоры. Все это предполагает создание для волоконных линий связи интегрально-оптических схем, включающих в себя источники излучения, направленные ответвители, модуляторы, переключатели, фотоприемники и, наконец, электронные интегральные усилительные схемы, если при большой длине ВОЛС требуются промежуточные усилители или ретрансляторы (аналогично радиорелейным линиям связи).

Области практического применения ВОЛС чрезвычайно широки. В зависимости от протяженности они условно делятся на объектовые, городские (межгородские, зоновые) и магистральные, вплоть до межконтинентальных.

Внутриобъектовые ВОЛС — это относительно короткие (1 — 100 м) бортовые линии на кораблях, самолетах, ракетах и космических аппаратах, внутри учреждений и предприятий, в аппаратуре контроля и управления (работающей в условиях сильных помех, с высоковольтными и сильноточными цепями), для передачи световых импульсов большой мощности в лазерной технологии, медицине и т. п. Для внутриобъектной линии связи оптические потери, модовая и хроматическая дисперсия—не очень критические характеристики. Выделяют также так называемые монтажные волоконно-оптические кабели (длиной до 10—30 м), предназначенные для внутриблочных и межблочных соединений в аппаратуре.

Городские ВОЛС имеют среднюю протяженность до 50— 100 км, межгородские (зоновые) — до 200—300 км и предназначены для связи ЭВМ с отдаленными терминалами, устройствами сбора данных, телефонной, телеграфной и видеотелефонной связи. Следует оговорить использование ВОЛС для многопрограммного телевидения, что важно как с точки зрения повышения качества и надежности передачи в условиях сильных помех, экранирования высотными зданиями, рельефом местности, так и радикальной перестройки информационной службы, соединения абонентов с крупными библиотеками, банками данных, информационно-вычислительными центрами и др.

Назначение магистральных ВОЛС — передача информации на большие расстояния (сотни и тысячи километров). При минимальных оптических потерях они должны быть устойчивыми к многолетним воздействиям неблагоприятных внешних факторов (например, при укладке под землей, под водой). В магистральных ВОЛС используют дорогостоящие оптические кабели, содержащие гидроизолирующую оболочку, армирующие элементы и т. п.

Передачу сигналов в ВОЛС осуществляют как в аналоговой, так и в цифровой форме. Широкополосность световолокон делает предпочтительной передачу информации в цифровой форме, как более точной и надежной, менее чувствительной к шумам и искажениям.

4.6.2. Оптическое соединение элементов

В волоконно-оптических системах связи оптическое соединение световолокон между собой, с источниками и приемниками излучения имеет первостепенное значение, поскольку может быть связано со значительными переходными потерями (обычно выражаемыми в децибелах). Эффективность ввода излучения источника в световод зависит в первую очередь от степени сопряженности их характеристик: сечения и расходимости светового пучка с геометрическими размерами сердцевины и апертурного угла световолокна, ширины спектральной полосы излучения и количества волноводных мод и т. п.

Принципиально просто осуществляется ввод остронаправленного луча твердотельного лазера в многомодовое световолокно (~100%). Полупроводниковые лазеры и особенно светоизлучающие диоды соединяются со световодами с гораздо большими потерями.

Простой способ соединения светодиода с оптическим кабелем— приклеивание плоского светодиода к торцу световолокна (рис. 4.14, а). В этом случае целесообразно использовать многожильный кабель, чтобы увеличить площадь его торца и приблизить ее к площади светодиода, размеры которого обычно составляют 0,3—0,5 мм. Из-за малой апертуры, даже при плотной упаковке многомодовых волокон и использовании иммерсионного клея, оптические потери при таком способе стыковки могут достигать 10—20 дБ, т. е. в кабель вводится порядка одного процента излучения светодиода. Замена светодиода полупроводниковым лазером приводит при прочих равных условиях к снижению потерь примерно в 3—4 раза.

Если же излучение вводится в одиночный, а тем более одномодовый световод, описанный способ оптического соединения неприменим. В этом случае конец световолокна устанавливают в углублении подложки структуры (рис. 4.14,6) так, чтобы его торец оказался в непосредственной близости (~10— 20 мкм) от излучающей площадки, диаметр которой делается как можно меньшим (~ 50 мкм). Предпочтительно использование торцевого излучения полупроводникового источника (рис. 4.14,в, г). Для увеличения эффективности ввода излучения в световод (в несколько раз и даже 1—2 десятка раз) применяют оптические клеи, микролинзы, созданные на торце волокна оплавлением или нанесением подходящего материала, другие способы фокусировки излучения. Наибольшее влияние на эффективность ввода излучения источника в световолокно оказывает поперечное рассогласование, меньшее—продольное и угловое. Переходные потери при вводе в световод излучения полупроводникового лазера в лучшем случае составляют ~1дБ, светодиода — несколько децибел.

Соединение отрезков оптических волокон между собой осуществляют свариванием, сплавлением или склеиванием в юстировочном устройстве или же при помощи самого юстировочного элемента — керамической, пластмассовой, металлической трубки (капилляра) и т. п. В отличие от таких неразъемных соединений оптические разъемы (соединители) должны допускать многократные соединения — разъединения волокон. В большинстве случаев на оптические разъемы кроме малых потерь (~0,5 дБ) накладывают другие важные требования: малые размеры и вес, простота в обращении и дешевизна. Предложено множество методов юстировки и фиксации соединяемых световодов—от простейших соединительных патронов с коническими внутренними поверхностями до громоздких и разборных соединителей многоволоконных кабелей. Концы одного отрезка кабеля фиксируют строго против концов соответствующих волокон другого отрезка кабеля. При малом зазоре между торцами волокон, которые тщательно полируют с применением специальных устройств, световой сигнал проходит непосредственно из одного волокна в другое. Переходные оптические потери уменьшаются, если в места сочленения кабеля ввести иммерсионную жидкость. В подобных разъемах переходные потери не превышают 0,5—1 дБ при хорошей оптической «развязке» между соседними волокнами (несколько десятков децибел).

Применение интегрально-оптических схем в волоконно-оптических системах связи предполагает оптическое соединение световолокна с плоским волноводом. Если поперечные сечения световолокна и полоскового волновода близки по размерам, можно достичь их удовлетворительной оптической стыковки, расположив конец световолокна против торца плоского волновода. Для уменьшения потерь применяют микролинзы, иммерсионные жидкости и т. п.

Простой способ оптической стыковки световолокна с плоским волноводом заключается в приклеивании конца световолокна к наружной поверхности планарного волновода при помощи капли вещества с большим показателем преломления. При наиболее благоприятной угловой ориентации световолокна можно достичь эффективности связи около 50%.

Более технологична связь световолокна с интегрально-оптической схемой, если использовать сужающийся край пленочного волновода (см. рис. 4.5). В подложке под клиновидным краем волновода создается цилиндрическое отверстие, куда вставляется световолокно. Световая энергия может передаваться как из плоского волновода в световолокно, так и обратно. Достигнутая таким способом эффективность связи может превышать 50%.

4.6.3. Особенности источников и приемников излучения в волоконной и интегральной оптике

Основными источниками излучения, используемыми в интегральной и волоконной оптике, являются полупроводниковые светодиоды и лазеры, рассмотренные в первой главе. Светодиоды — дешевые и простые в управлении приборы — применяют в тех случаях, когда не нужны большие мощности излучения, пространственная направленность и узкая спектральная полоса излучения, например, в коротких (длиной до нескольких метров) многомодовых ВОЛС. Более универсальны полупроводниковые лазеры с p-п-переходами, обладающие малыми размерами, простой конструкцией, высокой надежностью и позволяющие осуществлять непосредственную высокочастотную модуляцию излучения.

Стремление повысить эффективность ввода излучения в световод микрометрических размеров привела к разработке диодной структуры, у которой активная излучающая область представляет собой узкую полоску (шириной 5—25 мкм) с зеркальными торцевыми гранями, что необходимо для создания оптической обратной связи (рис. 4.15,а). Полосковые лазеры предпочтительнее как с точки зрения оптической стыковки со световодом (поскольку излучение выходит через малую торцевую грань), так и для уменьшения порогового тока (из-за малой площади диодной структуры).

Применяемые в интегральной и волоконной оптике лазеры обычно представляют собой многослойные гетероструктуры на основе тройных или четверных полупроводниковых соединений. В гетероструктурах можно сделать так, что кроме эффективной инжекции неосновных носителей активная область малых размеров оказывается расположенной между слоями с меньшим показателем преломления, становясь, таким образом, волноводом, ограничивающим оптическое поле. Это приводит к тому, что, например, в гетероструктурах на GaAlAs плотность порогового тока составляет 1·10²—1·10³ А/см², а не 1·10⁴—1·10⁵ А/см², как у гомопереходных лазерных диодов.

Гетеролазеры интересны также возможностью управления спектральным составом излучения в процессе их изготовления. Излучение GaAs лазера (0,92 мкм) приходится, к сожалению, на полосу поглощения стеклянного световолокна (см. рис. 4.13). Если использовать гетероструктуру на основе GaAlAs, полоса излучения сдвигается в коротковолновую область. Часто используется состав, соответствующий излучению в области 0,85 мкм, где в спектре затухания боросиликатных стекол имеется относительный минимум. Еще привлекательнее область 1,2—1,3 мкм, где не только меньше потери в стекловолокне, но и практически отсутствует хроматическая (материальная) дисперсия.

Гетероструктуры на основе GaAlAs могут излучать только в области длин волн, меньших 0,92 мкм, т. е. для области 1,2—1,3 мкм они неприменимы. Принципиально для этого подходят соединения GalnAs, однако несоответствие кристаллических решеток GaAs иInAs приводит к возникновению дефектов структуры и, как следствие, к низкой эффективности излучательной рекомбинации и значительному оптическому поглощению. С подобными трудностями связано также создание гетероструктуры на основе GalnP, GaAsSb и др. В связи с этим более перспективны для излучения 1,2—1,3 мкм четверные соединения GalnAsP, GaAlAsSb и др. Хотя технология их изготовления более сложная, введение четвертого элемента позволяет создавать гетероструктуры с минимальным несоответствием кристаллических решеток слоев. Например, эффективное излучение гетероструктур GalnAsP получено не только для области 1,2—1,3 мкм, но и 1,55 мкм, т. е. там, где потери в стекловолокне минимальны (см. рис. 4.13).

Описанная технология и используемые для лазерных и светоизлучающих диодов материалы применимы также для изготовления плоских волноводов, фотоприемников, модуляторов, других интегрально-оптических элементов, а также электронных компонентов (диодов, транзисторов и т. п.). Однако при их объединении в монолитную интегрально-оптическую схему возникают трудности, связанные с созданием в планарном гетеролазере зеркальных торцевых поверхностей, образующих оптический резонатор. Использование ультразвуковой техники для образования микросколов, получение мезаструктур с вертикальными боковыми поверхностями методами эпитаксии, химического травления и т. п., как правило, не приводит к желаемым результатам. Проблема находит свое решение в применении для оптической обратной связи не зеркальных граней кристалла, а отражающих дифракционных решеток, созданных в самом волноводном слое. Распространены два типа основанных на этом принципе лазеров — с распределенными брэгговскими отражателями (РБО-лазер) и с распределенной обратной связью (РОС-лазер).

В РБО-лазере брэгговские зеркала расположены по обе стороны активной области, в которой создается инверсная населенность за счет инжекции неосновных носителей (рис. 4.15, б). Дифракционные решетки создаются путем гофрирования поверхности раздела между слоями гетероструктуры. Хотя дифракционная решетка отражает множество мод, практически только одна такая мода оказывается в спектре излучения полупроводникового лазера. При этом часто используют отражение моды не первого, а третьего порядка дифракции. Гофрированные участки можно сделать неодинаковой длины, обеспечивая тем самым вывод излучения только в одном направлении (в волновод, примыкающий к РБО-лазеру). Создавая последовательность нескольких решеток с различающимся периодом (шагом), можно получить лазер с частотным мультиплексированием.

В РОС-лазере гофрированные участки волновода совмещены с активной областью, т. е. в самой области, где создается инверсная населенность, действует оптическая обратная связь (рис. 4.15, в).

Как РБО-, так и РОС-лазеры кроме планарной конструкции имеют ряд преимуществ перед лазерами с отражающими торцевыми поверхностями. Они обеспечивают более точную настройку на нужную длину волны и более узкую полосу излучения (0,05—0,01 нм). Последнее особенно важно, поскольку частотный диапазон модуляции оптического сигнала, распространяющегося в волноводе, зачастую ограничен именно спектральной шириной полосы источника излучения.

В отличие от источников света, фотодетекторы, используемые в волоконной и интегральной оптике, имеют меньшие особенности по сравнению с известными полупроводниковыми приборами. В основном это смещенные в обратном направлении быстродействующие структуры: р-п-гомо- или гетеропереходы, диоды Шоттки, p-i-n- и лавинные фотодиоды, фототранзисторы. При их оптическом соединении со световолокном не так критично совпадение геометрических размеров; важно только, чтобы площадь фотодетектора не была заметно меньше сечения световолокна. Во всех случаях следует все же стремиться к минимальной площади фотодиода, так как его емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту устройства.

Фоточувствительные полупроводниковые структуры относительно просто соединяются с интегрально-оптическими волноводами, если те и другие создавать на базе полупроводниковых соединений А³В⁵. Фотодетектор можно создавать, в частности, в самом полосковом волноводе, для чего на соответствующем его участке наносят металл, образующий с материалом волновода запирающий барьер. Свет, распространяющийся в волноводе, падает на диодную структуру в поперечном направлении, а не нормально к плоскости перехода, и если, кроме того, толщина обедненного слоя близка к толщине волновода, достигается высокая квантовая эффективность фотопреобразования (близкая к 100%). Распространение света без потерь в волноводе и его поглощение в таком «волноводном» детекторе происходит за счет сдвига края поглощения света в сторону больших λ под действием сильного поля, локализованного в обратносмещенной структуре (уже упоминавшийся эффект Франца — Келдыша).

Другой метод монолитной интеграции плоского волновода с фотодетектором основывается также на гетеротехнологии: на участке волновода вытравливают углубление, в котором затем выращивают материал с меньшей шириной запрещенной зоны и легируют его так, чтобы образовалась выпрямляющая структура (например, в волноводе из GaAs создается фотодиод на основе GalnAsP). Высоким быстродействием (несколько десятков пикосекунд) обладают фоторезисторы на основе эпитаксиальных пленок GaAlAs, GalnAs, AlInAs. Для области 0,8—1,1 мкм основными являются кремниевые фотодетекторы, которые, однако, соединяются с интегрально-оптической схемой методами гибридной технологии.

Назначение лазерных диодов, в том числе и в интегрально-оптическом исполнении, не ограничивается только генерированием оптического излучения. Уровень инжекций можно сделать достаточным для создания инверсии населенности, но недостаточным для генерации, и тогда луч, прошедший через активную среду, усилится (регенеративный усилитель). Очевидно, усиление света будет происходить и при его прохождении через активную среду без резонатора (усилитель бегущей волны). И в том, и в другом случае одновременно с усилением света произойдет уменьшение концентрации электронно-дырочных пар, т. е. ток через диод уменьшится. Знак такого «отрицательного» фотоэффекта противоположен знаку фотоэффекта, наблюдаемому при нулевом или обратном смещении диода или же при малых прямых токах, не обеспечивающих инверсии. Лазерный диод, таким образом, может использоваться по крайней мере в трех качествах: генератора оптического излучения с возможностью внутренней модуляции, усилителя по оптическому каналу, а также быстродействующего фото приемника. На этом основывается работа линии двусторонней передачи с идентичными оконечными устройствами и ретрансляторами.

4.7. Волоконно-оптические датчики

Разработка волоконных световодов открывает широкие возможности развития новых методов измерения различных физических величин.

Световолокно может использоваться прежде всего для передачи оптического сигнала, несущего информацию об измеряемой величине. Хотя при этом световод играет пассивную роль, его использование дает целый ряд существенных, в каких-то случаях — определяющих преимуществ: исключается влияние внешних электромагнитных помех, обеспечиваются высокие влаго- и теплостойкость, химическая инертность, возможность работы в труднодоступных местах, взрывоопасных средах (отсутствие искрения), простота и гибкость измерительных методик и др. Простейший пример подобного использования оптического волокна—счетчик каких-либо предметов, основанный на прерывании светового луча (рис. 4.16, а). Такое устройство, представляющее собой по существу длинный оптрон с открытым оптическим каналом, может применяться при соответствующей модификации измерительной схемы в качестве датчика наличия жидкости, состояния поверхности предмета, скорости его вращения, частоты колебаний, пространственного положения объекта (например, высоковольтного включателя, при автоматическом взвешивании) и т. п. Если зазор в разрыве световолокна сделать малым, один конец жестко закрепить, а другой установить на нужную деталь, то интенсивность света, переходящего из одного волокна в другое, окажется чувствительной к боковому смещению детали.

Нанося на торец волокна люминесцирующее вещество и используя температурную зависимость интенсивности (или спектра) свечения, можно измерять температуру в заданной области (например, в трудно доступных местах и т. п.). Излучение, возбуждающее люминесценцию, подают по тому же волокну, но в другой спектральной области. Диапазон измеряемых температур определяется типом люминофора (например, 220—470 К для Gd₂O₂S:Eu). Для измерения высоких температур на торец световода наносят в качестве первичного датчика тонкопленочное покрытие (иридий, оксид алюминия или др.), выполняющее роль черного тела, а его излучение, как и фотолюминесценции, регистрируют фотодетектором.

В волоконно-оптических датчиках абсорбционного типа используется температурная зависимость оптического пропускания нанесенного на торец волокна слоя жидкого кристалла, термохромного материала или полупроводника. Высокую точность определения температуры обеспечивают дифференциальные методы, для чего измерение пропускания производят на двух длинах волн.

Работа волоконно-оптического датчика может основываться на явлениях, происходящих на границе раздела сердцевины волокна с оболочкой или внешней средой. Если, например, конец световолокна с зеркальным торцом поместить в жидкость, то при изменении температуры изменится разница показателей преломления сердцевины и жидкости, а значит, и коэффициент отражения света от торца световода. Сравнивая интенсивность отраженного света с поступающим на фотодетектор непосредственно от источника (светодиода), можно добиться высокой точности измерений температуры (не хуже 0,1 К). Разумеется, по значению коэффициента отражения от торца световода можно определять и абсолютное значение показателя преломления вещества, в которое погружен конец световода (волоконно-оптический рефрактометр).

Заметное влияние на прохождение света оказывают условия на боковой поверхности световолокна, особенно если с него снять оболочку. Отрезок световолокна успешно применяют для измерения уровня жидкости: по мере погружения световода в жидкость изменяется длина волокна, контактирующая с жидкостью, а ее показатель преломления обычно заметно больше, чем воздуха. Участок световолокна, покрытый палладием, является датчиком наличия водорода, содержащегося в газовой смеси. При взаимодействии с водородом слой палладия расширяется, в результате чего возникает дополнительный сдвиг фазы передаваемого по волокну оптического сигнала. Сдвиг фазы определяют методом сравнения с опорным сигналом, прошедшим такое же световолокно, но не покрытое палладием.

Отрезок световолокна, изогнутого, как показано на рис. 4.16, б, причем не обязательно освобожденного от оболочки, может служить датчиком давления. Форма изгиба петли (которая может быть миниатюрной) зависит от давления в окружающей ее среде, значит, изменение давления обязательно повлияет на интенсивность проходящего через петлю света. При помощи такого датчика можно определить также плотность жидкости, например электролита в кислотном аккумуляторе, а это, в свою очередь, дает информацию о степени его заряженности. Опыт показывает, что интенсивность света, прошедшего через петлю, в рабочем интервале изменения плотности электролита изменяется в несколько раз, т. е. достаточно сильно для точных измерений.

Для регистрации низких давлений световолокно устанавливают в устройство, позволяющее создавать чередующиеся микроизгибы (рис. 4.16, в). Оптические потери на изгибах волокна возрастают при увеличении давления, что позволяет регистрировать довольно малые его изменения (до 10^–4—10^–5Па). Подобное устройство может служить также высокочувствительным датчиком акустических колебаний.

Действие волоконного датчика может основываться на процессах, происходящих в самом материале волокна. Оптические потери в волокне возрастают, в частности, в результате действия ионизирующих излучений, что используется для измерения накопленной (поглощенной) дозы рентгеновского или γ-излучений. Доза в 1 рад уменьшает пропускание стекловолокна на сотни децибел, что позволяет измерять малые дозы облучения. Отжиг восстанавливает свойства волокна, и его снова можно использовать для измерений. Полимерное световолокно, легированное ароматическими соединениями, само является сцинтиллятором, поэтому, регистрируя возбуждаемые в волокне вспышки, можно определять характеристики ионизирующего излучения (интенсивность, энергию и др.). В основе работы волоконно-оптического датчика может лежать также явление Черепкова — Вавилова — релятивистский эффект, состоящий в возникновении свечения в веществе (в данном случае — в световолокне) при прохождении через него заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в этом веществе.

Кварцевое волокно, легированное редкоземельными элементами (неодимом, европием и др.), люминесцирует при освещении его коротковолновым ультрафиолетовым излучением. Явление температурного тушения такой люминесценции позволяет довольно точно измерять температуру окружающей среды в интервале 300—500 К. Можно, наконец, использовать тепловое излучение световолокна. Для высокотемпературной области вплоть до 2000—2200 К световод изготовляют в виде тонкого волокна из сапфира. Все волоконно-оптические датчики температуры ценны тем, что имеют ничтожную теплоемкость и теплопроводность, малые постоянные времени, высокую чувствительность, химически инертны, во многих случаях незаменимы при измерениях внутри полостей, в тканях и т. п.

Для регистрации отклика волоконно-оптического датчика на то или иное воздействие во многих случаях используют интерференционные схемы, что зачастую и обеспечивает высокую чувствительность и стабильность работы измерительной системы. Рис. 4.17, а поясняет работу датчика механических нагрузок, которые испытывает какая-либо конструкция. Один из двух одинаковых отрезков волокна с зеркальными торцами приклеивают к нужному элементу конструкции, а другой оставляют ненагруженным. Оба световолокна «питаются» от одного и того же источника когерентного света. Изменение длины «измерительного» волокна вызывает дополнительный сдвиг фаз по отношению к лучу, прошедшему по «эталонному» волокну, что отражается на результате сложения обоих лучей, а значит, и на сигнале, регистрируемом фотодетектором. Рассматриваемую оптическую схему можно приспособить для измерения напряженности магнитного поля, прикрепив измерительный отрезок световолокна к пластине из магнитострикционного материала. Под действием магнитного поля размеры пластины вместе с длиной волокна изменяются, что и зарегистрируется фотодетектором. Аналогичный результат получается, если на поверхность световолокна нанести покрытие из магнитострикционного материала. Изменить длину такого световолокна можно, поместив его в небольшой соленоид с током. Такое устройство используют для измерения электрического тока. Для измерения напряженности магнитного поля и электрического тока можно обойтись и без магнитострикционных преобразователей, а используя вращение плоскости поляризации световой волны в самом волокне (эффект Фарадея). Для увеличения чувствительности датчика стекловолокно легируют парамагнитными элементами, что наряду с возрастанием постоянной Верде приводит к уменьшению прозрачности световода.

Для измерения электрических напряжений световолокно прикрепляют к пластине из пьезоэлектрического материала, деформирующейся при помещении ее в электрическое поле. Если пьезоэлектрический элемент снабдить контактами, то о приложенном к ним электрическом напряжении можно судить по изменению фазы светового пучка, проходящего через волокно.

Стекловолокно, прикрепленное к пластине или стержню с большим коэффициентом теплового расширения, является чувствительным датчиком температуры.

Самостоятельный интерес представляет волоконно-оптические гироскопы, предназначенные для измерения угловых скоростей и углов поворота. Такие устройства в отличие от гироскопов, давно используемых для навигации и стабилизации подвижных объектов, не содержат быстро вращающихся массивных маховиков. Действие волоконно-оптического гироскопа основывается на явлениях, аналогичных происходящим в оптических (квантовых) гироскопах. Чувствительным элементом оптического гироскопа служит так называемый кольцевой лазер, открытый резонатор которого образуется не двумя зеркалами, направленными навстречу друг другу, а тремя или более, смонтированными на жестком основании, так что световые лучи распространяются по замкнутому контуру. При вращении прибора вокруг оси, перпендикулярной плоскости контура, между бегущими навстречу друг другу волнами возникает разность фаз, пропорциональная скорости вращения (эффект Санъяка, открытый в 1913 г.).

В волоконно-оптическом гироскопе замкнутый контур создается при помощи световолокна. На оба его конца излучение лазерного или суперлюминесцентного диода посылают при помощи светоделителя (рис. 4.17, б). После прохождения световолокна оба луча попадают на фотодетектор, а далее—на схему регистрации. Из измеренной разности фаз находят мгновенную скорость вращения объекта, на котором закреплен контур; интегрируя сигнал, получают угол поворота и т. д. Используя, например, суточное вращение Земли, определяют широту местности. Сигнал, снятый с детектора, можно использовать для управления движущимся объектом.

Волоконно-оптические гироскопы имеют явные преимущества по сравнению с механическими: малые габариты и вес (особенно при сочетании световолокна с интегрально-оптической схемой), высокую надежность, работоспособность в условиях высоких механических нагрузок, практически мгновенную готовность к работе, простоту технологии и низкую стоимость, ничтожное потребление энергии, наконец, высокую чувствительность за счет использования многовитковых катушек световолокна (десятые—сотые доли градуса в час и менее).