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

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.

Подпись: Рис. 4.3. Ввод излучения через торец плоского волновода: а—при помощи фокусирующей линзы, б—при торцевой стыковке, 1—подложка, 2—волновод

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

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

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

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

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

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 kλdsin 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

Подпись: Рис. 4.5. Вывод излучения в подложку через сужающийся край волноводаПодпись: Рис. 4.6. Оптическая связь между наложенными друг на друга волноводами

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 φП внутреннего отражения для поверхности раздела волновод — подложка (для границы раздела волновод—покровный слой это согласно (4.2) и (4.3) произойдет позже, так как пП 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<пВ; как обычно, пВ больше коэффициента преломления подложки пП. 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.