4.4.1. Интегрально-оптические модуляторы света

4.4.2. Интегрально-оптические переключатели, сканеры и зеркала

4.4.3. Полосковые ответвители и модуляторы

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.