Как выглядит оптическая интегральная схема?,
пассивные элементы
<Интегральная оптика> - это привлекательное, современное и легко
запоминающееся название нового направления оптики придумал в 1969 г. С.
Е. Миллер. Интегральная оптика рассматривает явления, связанные с
распространением света в тонких пленках. По сути она является логическим
продолжением СВЧ техники, перенося ее принципы в оптический диапазон
электромагнитных волн от 0,1 до 10 мкм. В связи с этим элементы
интегральной оптики по аналогии стали называть оптическими интегральными
схемами. Эти схемы оказались такими же миниатюрными, как и их СВЧ
аналоги. Переход к ним от веками применяемой крупногабаритной линзовой
оптики необычайно заманчив.
Вся интегральная схема помещается на небольшой кристаллической пластине,
называемой <чипом>. На <чип> наносят пленки. Одни пленки служат
пассивными переносчиками энергии, другие - способны самостоятельно
генерировать свет, модулировать и, наконец, детектировать его, играя
роль активных элементов. Функции пассивного элемента выполняет волновод.
Он преобразует объемную пространственную волну в поверхностную и
передает ее подобно тому, как электрические провода переносят ток.
Пассивные элементы
В гл. 3 мы познакомились с одним из видов волноводов - с опическими
волокнами. В интегральной оптике волновод имеет вид сэндвича (рис. 42),
состоящего из подложки, пленки и покрытия, роль которого часто с успехом
играет воздух. Такая конструкция проявляет волноводные свойства тогда,
когда показатель преломления пленки nп
превосходит показатели преломления подложки n1
и покрытия n2.
Для лучшего понимания принципа распространения света в волноводе
обратимся к геометрической оптике. Луч света, войдя в пленку,
многократно отражается от ее границ и распространяется по
зигзагообразному пути, что напоминает поведение света в оптическом
волокне. Оптический волновод обладает также свойствами, которые роднят
его с волноводом СВЧ диапазона, но толщина его при этом в 104 раз
меньше. Вместе с тем оптическому волноводу присущи индивидуальные черты
- он является волноводом открытого типа. Это означает, что свет
распространяется не только внутри пленки, но и в сферах, прилегающих к
ней,- в подложке и покрытии. Поэтому материалы всех трех слоев должны
иметь хорошие оптические характеристики и, в первуюочередь, небольшое поглощение. К тому же они должны быть
механически прочными и стойкими к внешним воздействиям. Основным
материалом для подложек в интегральной оптике является арсенид галлия (GaAs).
Что касается пленок волноводов, то хорошо себя зарекомендовали
органические материалы, фоторезисты, распыленное стекло.
Рис. 43. Поперечные сечения линейных волноводов:
а - приподнятый: б - гребенчатый: в - внедоенный; г - составной
Волноводы, имеющие значительную ширину, называются планарными. Свет в
них может распространяться внутри пленки по любому из направлений. Их
следует отличать от линейных волноводов в виде полосок или каналов,
вдоль которых распространяется свет. На рис. 43 изображены четыре
профиля линейных волноводов. В одних волноводах полоски выступают над
плоскостью подложки, в других - внедрены в нее. Обычно толщина пленки не
превышает 1 мкм, в то время как диаметр лазерного пучка составляет
несколько миллиметров. Как же ввести такой луч в тонкопленочный
волновод? Луч можно, например, фокусировать с помощью линзы на край
пленки (рис. 44, а). Здесь линза уподобляется рупору. Однако это не
очень удобно, поскольку необходимо тщательно согласовать линзу и
лазерный пучок с тончайшим краем пленки. Проще оказалось вводить свет с
помощью призмы с большим показателем преломления, чем у пленки (рис 44,
б). Но здесь есть одно неудобство. Для перекачки световой энергии
необходимо, чтобы между призмой и пленочным волноводом оста-
вался воздушный зазор толщиной меньше половины длины волны. В зазоре
могут скапливаться частицы пыли, в результате чего растут потери света.
Этого можно избежать, если зазор заполнить связывающим материалом, что
одновременно делает конструкцию более устойчивой. Как показывает опыт,
при таком вводе теряется не более 12 % энергии света.
Аналогично призменному работает другой элемент ввода - решетчатый (рис.
44, в). Непосредственно на пленку волновода накладывают тонкий слой
фоторезиста. С помощью лазера на его поверхность экспонируют
интерференционную картину. После соответствующей обработки фоторезист
становится дифракционной решеткой с синусоидальным, треугольным или
трапецеидальным профилем. Миниатюрность решетчатых элементов,
относительная легкость изготовления делают их весьма перспективными для
применения в интегральной оптике. Однако с их помощью не удается
добиться высокой эффективности связи, свойственной призмам, поскольку
значительная часть падающей энергии теряется в подложке.
После того как энергия световой волны введена в волновод, ее передают в
следующий элемент. Легче всего связать два планарных волновода. Если
волноводы размещены на общей подложке, их связывают с помощью
промежуточного слоя пленки (рис. 45, а). Энергия из одного пленочного
волновода в другой проникает через сужающиеся края пленки. Еслиподложки волноводов разные, их связывают с помощью решетки (рис.
45, б). Правда, эффективность такой передачи невысокая, так как в
процессе обмена теряется до 35 % энергии. Помимо связи между планарными
волноводами, в задачи интегральной оптики входит также разработка связи
между планарными и линейными волноводами, между двумя линейными. Чтобы
передать энергию из планарногов линейный
волновод, ширину первого постепенно уменьшают, пока она не сравняется с
шириной линейного волновода. По форме переход напоминает рупор (рис. 45,
в).
Рис. 44. Элементы ввода света в волновод с
помощью линзы (а), призмы (б) и решетки (в):1
- пленка; 2 - подложка; 3 - линза; 4 - призма; 5 - решетка
Поверхностная волна, проходя через рупор, теряет часть своей энергии
из-за рассеяния. Потери можно уменьшить, если переход сделать длинным.
Например, при ширине планарного волновода 50 мкм, а линейного - 3 мкм
переход достаточно удлинить до 2 мм, чтобы снизить потери до 10 %. Можно
поступить иначе, например, концу планарного волновода придать форму
призмы. Тогда обмен энергией между скошенным краем и линейным волноводом
будет происходить через зазор. Такая конструкция напоминает призменный
элемент связи, изображенный на рис. 44, б. Разница лишь в том, что
перекачка энергии протекает в пределах малой толщины тонкопленочных
волноводов.
Линейные волноводы связывают, располагая параллельно (рис. 45, г).
Находясь вблизи друг от друга, они обмениваются энергией. Причем доля
передаваемой энергии из одного волновода в другой зависит от длины связи
L между ними.
Хотя интегральная оптика является самостоятельным направлением
оптоэлектроники, она тесно связана с другими ее областями, в первую
очередь с волоконной оптикой. Их симбиоз позволяет, например, решать
задачи оптической линии связи. Поэтому большое практическое значение
приобретает проблема связи планарного или линейного волновода с
опическим волокном. Работа над этим вопросом только началась, поэтому
нет еще решений, полностью удовлетворяющих запросы практики. Вся
трудность состоит именно в миниатюрности элементов. Необходимо создать
прочное соединение при малой площади контакта. Как совместить эти, на
первый взгляд, противоречивые требования? На рис. 45, д показан пример
такой связи. Волокно вводится в подложку через цилиндрическое отверстие
и закрепляется клеем. Излучение проходит через суживающийся край пленки
в подложку и фокусируется полусферическим дном отверстия на входной
торец волокна.
Проблема ввода световой энергии в волновод и вывода из него, а также
связи между волноводами не простая. Она требует тщательной как
теоретической, так и экспериментальной проработки. И хотяпервые исследования начались в 80-х гг., реальные устройства еще
далеки от совершенства.
Рис. 45. Схемы связи двух планарных волноводов
через промежуточный слой (а), двух волноводов с помощью решетки (б),
планарных и линейных (в), двух линейных волноводов (г), волновода и
волокна (д):1 - волновод; 2 - промежуточный
слой; 3 - решетка; 4 - волокно
