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.

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.