Как изглежда една оптична интегрална схема, пасивни елементи, лазери, холография, влакна и
Как изглежда една оптична интегрална схема?, пасивни елементи
- това атрактивно, модерно и лесно запомнящо се име на ново направление в оптиката е измислено през 1969 г. от С. Е. Милър. Интегралната оптика разглежда явленията, свързани с разпространението на светлина в тънки слоеве. Всъщност това е логично продължение на микровълновата технология, пренасяйки нейните принципи в оптичния диапазон на електромагнитните вълни от 0,1 до 10 микрона. В тази връзка елементите на интегралната оптика по аналогия започнаха да се наричат оптични интегрални схеми. Тези вериги се оказаха също толкова миниатюрни, колкото техните микровълнови колеги. Преходът към тях от широкоразмерната лещова оптика, използвана от векове, е необичайно изкусителен.
Цялата интегрална схема е поставена върху малка кристална пластина, наречена . Нанасят се филми. Някои филми служат като пасивни носители на енергия, докато други са способни самостоятелно да генерират светлина, да я модулират и накрая да я откриват, играейки ролята на активни елементи. Функциите на пасивния елемент се изпълняват от вълновода. Той преобразува обемната пространствена вълна в повърхностна вълна и я предава по същия начин, по който електрическите проводници носят ток.
В гл. 3 се запознахме с един от видовете вълноводи - с оптични влакна. В интегрираната оптика вълноводът има формата на сандвич (фиг. 42), състоящ се от субстрат, филм и покритие, чиято роля често се играе успешно от въздуха. Такивадизайнът проявява вълноводни свойства, когато индексът на пречупване на филма n p надвишава индексите на пречупване на субстрата n1 и покритието n 2.
За по-добро разбиране на принципа на разпространение на светлината във вълновод, нека се обърнем към геометричната оптика. Светлинният лъч, влизащ във филма, многократно се отразява от неговите граници и се разпространява по зигзагообразен път, който наподобява поведението на светлината в оптично влакно. Оптичният вълновод също има свойства, които го правят подобен на микровълновия вълновод, но дебелината му е 104 пъти по-малка. В същото време оптичният вълновод има индивидуални характеристики - това е вълновод от отворен тип. Това означава, че светлината се разпространява не само във филма, но и в сферите, съседни на него, в субстрата и покритието. Следователно материалите и на трите слоя трябва да имат добри оптични характеристики и на първо място ниска абсорбция. Освен това те трябва да бъдат механично здрави и устойчиви на външни влияния. Основният материал за субстрати в интегрираната оптика е галиев арсенид (GaAs). Що се отнася до вълноводните филми, органичните материали, фоторезистите и разпръснато стъкло са се доказали добре.
Фиг. 42. Схема на вълновода: 1 - покритие; 2 - филм; 3 - субстрат
Фиг. 43. Напречни сечения на линейни вълноводи: a - повдигнати: b - гребен: c - извън млякото; g - съставен
Вълноводите със значителна ширина се наричат равнинни. Светлината в тях може да се разпространява във филма във всяка от посоките. Те трябва да се различават от линейните вълноводи под формата на ивици или канали, по които се разпространява светлината. На фиг. 43 показва четири профила на линейни вълноводи. В някои вълноводи лентите стърчат отгореравнина на подложката, в други - вградена в нея. Обикновено дебелината на филма не надвишава 1 µm, докато диаметърът на лазерния лъч е няколко милиметра. Как може такъв лъч да бъде въведен в тънкослоен вълновод? Лъчът може например да се фокусира с леща върху ръба на филма (фиг. 44а). Тук лещата е оприличена на мундщук. Това обаче не е много удобно, тъй като е необходимо внимателно да съпоставите лещата и лазерния лъч към най-тънкия ръб на филма. Оказа се, че е по-лесно да се въведе светлина с помощта на призма с по-висок коефициент на пречупване, отколкото с филм (фиг. 44b). Но тук има едно неудобство. За пренос на светлинна енергия е необходимо между призмата и филмовия вълновод да има
дебелината на въздушната междина е по-малка от половината от дължината на вълната. Частиците прах могат да се натрупат в пролуката, което води до увеличена загуба на светлина. Това може да се избегне, ако празнината се запълни със свързващ материал, който в същото време прави конструкцията по-стабилна. Както показва опитът, не повече от 12% от светлинната енергия се губи с такъв вход.
Друг входен елемент работи подобно на призмата - решетката (фиг. 44, c). Тънък слой фоторезист се нанася директно върху вълноводния филм. С помощта на лазер на повърхността му се излага интерференчен модел. След подходяща обработка фоторезистът се превръща в дифракционна решетка със синусоидален, триъгълен или трапецовиден профил. Малкият размер на решетъчните елементи и относителната лекота на производство ги правят много обещаващи за използване в интегрирана оптика. Въпреки това, те не могат да постигнат високата ефективност на свързване, присъща на призмите, тъй като значителна част от падащата енергия се губи в субстрата.
След като енергията на светлинната вълна бъде въведена във вълновода, тя се прехвърля към следващия елемент.Най-лесният начин е да свържете два планарни вълновода. Ако вълноводите са поставени върху обща подложка, те се свързват с помощта на междинен филмов слой (фиг. 45, а). Енергията от един филмов вълновод към друг прониква през заострените ръбове на филма. Ако вълноводните подложки са различни, те се свързват с помощта на решетка (фиг. 45, b). Вярно е, че ефективността на такъв трансфер е ниска, тъй като до 35% от енергията се губи в процеса на обмен. В допълнение към връзката между планарните вълноводи, задачите на интегрираната оптика включват и разработването на връзка между планарни и линейни вълноводи, между два линейни. За да се прехвърли енергия от планарен към линеен вълновод, ширината на първия се намалява постепенно, докато се изравни с ширината на линейния вълновод. Формата на прехода прилича на мундщук (фиг. 45, c).
Фиг. 44. Елементи за въвеждане на светлина във вълновода с помощта на леща (a), призма (b) и решетка (c): 1 - филм; 2 - субстрат; 3 - леща; 4 - призма; 5 - решетка
Повърхностна вълна, преминаваща през рог, губи част от енергията си поради разсейване. Загубите могат да бъдат намалени, ако преходът е дълъг. Например, ако ширината на планарен вълновод е 50 µm, а на линейния вълновод е 3 µm, достатъчно е да удължите кръстовището до 2 mm, за да намалите загубите до 10%. Можете да направите друго, например, за да придадете на края на планарен вълновод формата на призма. Тогава обменът на енергия между скосения ръб и линейния вълновод ще се осъществи през пролуката. Този дизайн прилича на призматичния съединителен елемент, показан на фиг. 44б. Единствената разлика е, че преносът на енергия се извършва в границите на малката дебелина на тънкослойните вълноводи.
Линейните вълноводи се свързват, като се поставят успоредно (фиг. 45, d). Като са близо един до друг, те обменят енергия. Освен това делът на предадената енергия от единвълновод в друг зависи от дължината на връзката L между тях.
Въпреки че интегрираната оптика е независима област на оптоелектрониката, тя е тясно свързана с другите й области, предимно оптични влакна. Тяхната симбиоза позволява например да се решат проблемите на оптична комуникационна линия. Следователно проблемът за свързване на планарен или линеен вълновод с оптично влакно е от голямо практическо значение. Работата по този въпрос току-що е започнала, така че все още няма решения, които да задоволяват напълно нуждите на практиката. Цялата трудност се състои именно в миниатюризацията на елементите. Необходимо е да се създаде силна връзка с малка контактна площ. Как могат да се съчетаят тези на пръв поглед противоречиви изисквания? На фиг. 45e показва пример за такава връзка. Влакното се въвежда в субстрата през цилиндричен отвор и се фиксира с лепило. Лъчението преминава през стеснения ръб на филма в субстрата и се фокусира от полусферичното дъно на отвора върху входния край на влакното.
Проблемът с входа и изхода на светлинна енергия във вълновода, както и връзката между вълноводите, не е лесен. Това изисква внимателно както теоретично, така и експериментално проучване. И въпреки че първите изследвания започнаха през 80-те години, реалните устройства все още са далеч от съвършенството.
Фиг. 45. Комуникационни диаграми на два равнинни вълновода през междинен слой (a), два вълновода с помощта на решетка (b), равнинни и линейни (c), два линейни вълновода (d), вълновод и влакно (d): 1 - вълновод; 2 - междинен слой; 3 - решетка; 4 - влакна