Физическая энциклопедия ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
раздел совр. оптики, осн. задачей к-рого явл. изучение и использование особенностей генерации, распространения и преобразования световых волн в тонких слоях прозрачных материалов, а также разработка принципов и методов создания и интеграции оптич. и оптоэлектронных волноводных элементов, способных эффективно управлять световыми потоками. И. о. возникла в 70-х гг. 20 в. Важнейшими элементами И. о. явл. тонкоплёночные и диффузные диэлектрич. микроволноводы, образующиеся за счёт резкого или плавного изменения показателя преломления среды. Они изготовляются путём напыления тонких плёнок на подложки из материала с более низким показателем преломления, а также с помощью диффузии, ионной имплантации, эпитаксиального наращивания и др. методами. Локализация световых потоков в оптич. микроволноводах, имеющих толщину порядка длины световой волны, приводит к ряду эффектов, не имеющих аналогов в обычной оптике, использующей, как правило, световые пучки с поперечными размерами, значит. превышающими длину волны. В оптич. микроволноводах осуществляется волноводный режим (см. ВОЛНОВОД), т. е. распространяется поверхностная световая волна. Это приводит к таким эффектам, как существование собств. волноводных мод с дискр. спектром фазовых скоростей; изменение эфф. показателя преломления среды с изменением геом. размеров микроволноводов; концентрация световой энергии на большом протяжении без дифракц. расходимости; возможность фазового синхронизма волн разл. частот в изотропном материале; резонансная связь световых потоков неск. волноводов и т. п. Эти волноводные эффекты дают возможность реализовать на единой подложке конструкции интегр. оптич. схем из отд. волноводных элементов, таких, как тонкоплёночные генераторы, модуляторы и дефлекторы света, частотные фильтры, направленные ответвители и др. Интегр. оптич. схемы позволяют также на неск. порядков снизить мощность, необходимую для электронного управления световыми потоками. Существ. роль в создании интегр. оптич. схем играют ПП структуры с гетеропереходами. И. о. расширяет функциональные возможности оптич. и оптоэлектронных устройств, открывает широкие перспективы для их миниатюризации, позволяет на принципиально новом уровне решать задачи создания оптич. линий связи, систем оптич. обработки информации, быстродействующих ЭВМ.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
- раздел совр. оптики, изучающий процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкоплёночных диэлектрич. волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке (интеграция) оптич. иоптоэлектронных волноводных устройств (лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей и т. д.). Типы диэлектрических микроволноводов. Основой интегральных оптич. устройств являются пленарные волноводы (тонкоплёночные и диффузные). Тонкоплёночные волноводы формируются в виде однородной диэлектрич. плёнки толщиной h порядка длинысветовой волны l, нанесённой на однородную диэлектрич. подложку с более низким показателем преломления (рис. 1,а). Диффузные (или градиентные) волноводы отличаются плавным распределением показателя преломления по сечению (рис. 1,б). В этих волноводах нет чётко выраженной границы между волноводным слоем и подложкой. Изготавливаются они обычно диффузией к.-л. примесей в подложку. Для передачи излучения по заданной траектории и связи между отд. элементами И. о. применяются также канальные (или полосковые) волноводы, ширина к-рых соизмерима с их толщиной (рис. 1, в).Локализация света в волноводе обусловлена полным внутренним отражением на граничных поверхностях, поэтому для осуществления волноводного режима необходимо, чтобы показатель преломления плёнки n0 был больше показателей преломления подложки n1 и среды над волноводом n2. Энергия в волноводе распространяется в виде волноводиых мод, характеризующихся определ. распределением эл.-магн. поля по поперечному сечению и собственными значениями волнового вектора k=2pn*/l. Параметр n*=n0sinq (q - угол падения луча на отражающую среду), определяющий фазовую скорость оптич. поверхностной волны, <играет роль эфф. показателя преломления для данной волны. В диэлектрическом волноводе с заданными параметрами n0, n1 n2 и hсуществует конечное число волноводных мод, определяемое дискретным рядом значений (m=1, 2, ..., М). Чем выше порядок т поверхностной волны, тем меньше её эфф. показатель преломления и сильнее проникновение её за пределы тонкой плёнки в подложку. В тонкоплёночных волноводах определяющую роль играет волноводная дисперсия, т. е. зависимость n* от относительной толщины плёнки kh. С уменьшением относительной толщины плёнки уменьшается n*, приближаясь к своему ниж. пределу n1 (обычно полагают, что n2[n1). Соответственно этому пределу существует критич. толщина плёнки (или критич. длина волны света, критич. частота w) для поверхностной волны m-ro порядка. С увеличением m на единицу критич. толщина возрастает на . Используя плёнку соответствующей толщины, можно ограничить число волноводных мод диэлектрич. волновода желательным образом. При значениях h (или w) меньше критического волноводный режим отсутствует. Пленарные линзы и призмы. Зависимость эфф. показателя преломления от толщины плёнки позволяет воздействовать на оптич. характеристики пленарных волноводов и создавать интегрально-оптич. элементы преобразования светового потока (линзы, призмы) простым уменьшением или увеличением толщины волноводного слоя. Преломление лучей может происходить за счёт увеличения (или уменьшения) показателя преломления по сечению волновода к центру или к краям. В И. о. применяются также т. <н. геодезические линзы, к-рые работают за счёт прогиба волноводной плёнки в вертикальной плоскости. Траектория сфокусированных лучей в этой линзе совпадает с кратчайшими геодезич. линиями изогнутой поверхности. Методы ввода и вывода излучения из оптических микроволноводов. Важным вопросом И. о. является преобразование лазерного пучка в волноводные моды (ввод излучения в волновод) и наоборот (вывод его). Вводить в волновод излучение лазера можно, фокусируя его на торец или стыкуя непосредственно источник света (лазер, оптич. волокно) с волноводом. При этом эффективность ввода зависит от степени согласования возбуждающего излучения с волноводной модой. <Вывод излучения можно осуществлять через суживающийся край волноводпого слоя (рис. 2). Если толщина волновода плавно уменьшается, то уменьшается и угол падения луча на отражающие стенки волновода, и когда он становится меньше критического, то оптическая волна будет излучаться в подложку под углом j=arccos(n0sinq/n1). Поле волноводной моды будет соответственно затухать вдоль волновода. Возбуждение пленарных волноводов можно осуществлять также через их поверхность туннельным и дифракц. методом. При этом создаваемое на поверхности волновода поле должно быть согласовано по поляризации и синхронизовано по фазе с возбуждаемой волноводной модой, т. е. должно иметь определённую и приблизительно равную составляющую волнового вектора вдоль волновода. Такой фазовый синхронизм осуществляется, напр., при туннельном вводе, когда поле проникает в волновод при полном внутр. отражении от основания призмы, изготовленной из более плотного диэлектрич. материала ( ) и помещённой над поверхностью волновода на расстоянии d порядка длины волны света(рис. 3). При этом слой между призмой и волноводом имеет показатель преломления . Подбирая соответствующий угол падения вводимого луча q3 на основание призмы и выполнив условие n3sin, можно добиться его фазового согласования с одной из волноводных мод. Осуществляя таким способом туннельную связь на нек-ром участке волновода, вводят в него большую часть энергии падающей волны. Т. к. с накоплением световой энергии в возбуждаемой поверхностной волне усиливается её переизлучение обратно в призму, то существует оптимальная длина связи, зи, отвечающая наиб, эффективному туннельному вводу излучения и зависящая от расстояния d между призмой и волноводом. Туннельный вывод осуществляется обычно при слабой связи, т. е. слабом проникновении поля поверхностной волны в выводную призму. Эти условия обеспечиваются при таком удалениипризмы от оптич. волновода, что ехр ( )Ъ1. Поддерживая слабую связь на участке, во много раз превышающем lи практически достаточном для полного излучения поверхностной волны из волновода, получают на выходе из призмы широкий световой пучок с малой дифракционной расходимостью. Этот вывод излучения из волновода наз. также призменным. <При дифракционном вводе и выводе излучения из оптич. микроволновода используются фазовые дифракц. решётки на поверхности волновода или внутри его, к-рые или создаются периодич. модуляцией показателя преломления в волноводной плёнке или представляют собой участки волновода с гофрированной поверхностью или подложкой. Задавая период дифракц. решётки L и подбирая угол падениявозбуждающей волны, добиваются её связи с волноводной модой и осуществляют эфф. дифракц. вывод излучения из волновода (или ввод). При прохождении гофрированного участка волна распадается на синусоидальной границе в суперпозицию плоских волн, имеющих проекции волноводных векторов на ось х, равные k(n*+mN), где т=0, b1, b2, ...,a N=l/L. При рассмотрении процессов излучения на слабогофрированном участке волновода можно пренебречь волнами с |m|>1. В зависимости от величины проекции волнового вектора дифракц. волны на ось х существуют разл. варианты излучения из волновода (рис. 4). Если проекция волнового вектора такова, что |n*-N|<n2, то излучение происходит одновременно вверх и в ниж. среду, а если n1>|n*-N|>n2, излучение происходит только вниз - в подложку, причём угол распространения дифрагированной волны в среде с n1 определяется выражением Интегрально-оптические элементы. Частотные фильтры, модуляторы света, направленные ответвители, дефлекторы и т. <п. позволяют осуществлять разл. действия над распространяющимися в волноводе волнами: их канализацию, модуляцию и отклонение, излучение в пространство, генерацию (см. Гетеролазер )и т. п. <Действия эти основаны на резонансном взаимном преобразовании волноводных мод в волноводе с периодическипромодулированной оптич. толщиной (т. е. при наличии фазовой дифракц. решётки) или в системе двух (и более) параллельно и близко расположенных (т. е. туннельно связанных) регулярных волноводов. Плавно изменяя параметры оптич. связи вдоль волновода (расстояние d или глубину модуляции на гофрированном участке), можно существенно изменить распределение интенсивности в выходящем из волновода пучке. <Широко используемые в И. о. волноводные решётчатые структуры могут осуществлять не только дифракц. ввод и вывод излучения, но и преобразование мод, выполнять функции отражателей, частотных фильтров и т. п. <Если в гофрированном многомодовом волноводе для двух мод с номерами mи m1 на периоде решётки укладывается целое число М полупериодов биений, т. е. выполняется условие , то между этими модами возникает сфазированная связь, приводящая к интенсивной взаимной перекачке мощности излучения одной моды в другую. Т. е. участок такого волновода может служить преобразователем волноводных мод. <Волноводные решёточные структуры используются также в качестве отражателей. Если поверхностная оптич. волна падает на участок гофрированного волновода под брэгговским углом к её штрихам (см. Брэгга - Вулъфа условие), так что выполняется условие sinq Б=l/2Ln*, то указанная решётка отражает падающую волну под углом q Б (рис. 5), если длина её В случае нормального падения на решётку, когда q Б=p/2, брэгговское отражение происходит при условии, что период гофра L равен целому числу волноводных полуволн: . Т. о., для решётки с определ. параметрами (L,L) брэгговское отражение происходит лишь для определ. длин волн (частот), т. е. имеет избират. характер. Ширина полосы частот Dw, в пределах к-рой наблюдается резонансное брэгговское отражение, характеризуется выражением: , где Dh- амплитуда гофра. Гофрированная периодическая структура может служить оптич. частотным фильтром с центром на брэгговских частотах, относит, полоса пропускания к-рого пропорц. отношению (L/L). Совр. технология позволяет получать плaнарные частотные фильтры с полосой пропускания менее 0,01 нм. Активные элементы И. о. Модуляторы, переключатели, сканеры используются для управления параметрами лазерной волноводной моды (её амплитудой, фазой, поляризацией) и для её пространственного разделения (переключения) - дискретного или непрерывного. Принцип работы этих активных устройств основан на изменении показателя преломления материала микроволновода под действием электрич. или магн. поля или упругой деформации. Наиб, распространение в И. о. получили электрооптич. <и акустооптич. устройства управления светом, в основу к-рых положена брэгговская дифракция на фазовых решётках, индуцируемых электрич. полем или акустич. поверхностными волнами (рис. 6).Встречно-штыревая структура электродов, изготовленная на поверхности волновода, обладающего электрооптич. свойствами (см. Поккелъса эффект), индуцирует фазовую решётку вида , где L - период наведённой решётки, Dn - макс, изменение показателя преломления, z(x) - ф-ция распределения изменения индуцированного показателя преломления по глубине. Действие электрич. поля Е на волновод длиной L приводит к сдвигу фазы на у проходящей волноводной моды и модуляции её амплитуды пропорц. Е (здесь - амплитуда изменения эфф. показателя преломления ~n3mrE/2, r - электрооптич. коэф.). Глубина модуляции излучения, прошедшего в первый максимум при брэгговской дифракции, зависит от фазового сдвига Dj, наведённого электрич. полем, пропорц. sin2(Dj/2).В акустооптич. модуляторах дифракция оптич. поверхностных волн осуществляется на фазовой решётке, создаваемой акустич. поверхностными волнами, возбуждаемыми перем. напряжением, приложенным к встречно-штыревому преобразователю. Ширина полосы частот Df, в пределах к-рой эффективно возбуждаются акустич. волны, обратно пропорц. длине встречно-штыревого преобразователя. Меняя частоту акустич. волн в пределах, ещё допускающих брэгговское отражение (от f1 до f2), можно менять угол отклонения светового луча в пределах , где va - скорость перемещения периодич. неоднородностей показателя преломления, возбуждаемых акустич. волной. Этот принцип положен в основу создания широкополосных акустооптич. дефлекторов. Вследствие Доплера эффекта частота света, дифрагируемого на акустич. решётке, смещается на величину, равную или кратную частоте акустич. волн. Это явление применяется для частотной модуляции света. Канальные волноводы используются в разл. функциональных узлах И. о., применяемых в качестве оконечных устройств волоконно-оптич. линий связи. Широко распространены управляемые направленные ответвители и модуляторы типа интерферометра Маха - Цендера (см. Интерферометр Рождественского). Оптич. направленный ответвителъ формируется из двух идентичных канальных волноводов, туннельно связанных, т. е. расположенных достаточно близко друг к другу, так что световая энергия перекачивается из одного в другой (рис. 7). Длина связи L, на к-рой осуществляется полная перекачка, определяется как L=2p/(, где Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988. Оригинал статьи 'ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА' на сайте Словари и Энциклопедии на Академике Турнавигатор |