Интегральная оптика

Интегральная оптика – раздел современной оптики изучающий процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкопленочных диэлектрических волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке (интеграция оптических и оптоэлектронных устройств (лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей.

Основой интегральных оптических устройств являются планарные волноводы (тонкопленочные и диффузионные.).

Планарные волноводы—световоды, в виде тонкой пленки, толщиной h порядка длины волны , нанесенную на подложку. Диэлектрический световод изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации.

Диффузные или градиентные волноводы отличаются плавным распределением показателей преломления по сечению. В этих волноводах нет четко выраженной границы между волноводным слоем и подложкой. Изготавливаются они диффузией каких-либо примесей в подложку.

Локализация света в волноводе обусловлено полным внутренним отражением на граничных поверхностях. Условие волноводного режима заключается в том, что показатель преломления пленки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Энергия в волноводе распространяется в виде волноводных мод. Моды характеризуются определенным распределением электромагнитного поля по сечению волновода и собственными значениями волнового вектора , Параметр -угол падения луча на отражающую среду, определяющий фазовую скорость поверхностной волны, играет роль показателя преломления для данной волны.

В диэлектрическом волноводе с заданными параметрами показателей преломления диэлектрического волновода , подложки , среды над волноводом и толщины волновода существует конечное число волноводных мод, определяемое дискретным рядом значений .Чем выше порядок m поверхностной волны тем меньше её эффективный показатель преломления и тем сильнее она проникает из пленки в подложку.

В тонкопленочных волноводах определяющую роль играет волноводная дисперсия.

Волноводная дисперсия - это зависимость показателя преломления для данной волны от относительной толщины пленки . Для поверхностной волны m-го порядка существует критическая толщина пленки, критические частота и длина волны. С увеличением m на 1 критическая толщина пленки. возрастает на . При превышении критических параметров волноводный режим отсутствует.

Нелинейные оптические явления в оптических микроволноводах возникают при больших значениях напряженности электрического поля даже при небольшой мощности возбуждения.Толщина волноводной пленки порядка длины волны, поэтому плотность световой энергии в оптическом микроволноводе достигает по всей длине взаимодействия даже от маломощных газовых лазеров .

В оптических микроволноводах фазовый синхронизм взаимодействующих мод возможен за счет волноводной дисперсии. Для разных мод одной поляризации. Это позволяет использовать для нелинейных взаимодействий изотропные среды с большой нелинейной воспримчиваостью. Для эффективного нелинейного преобразования необходима достаточная величина интеграла перекрытия полей взаимодействующих мод. Для нелинейных преобразований применяются титан-дифффузные волноводы в ниобате лития.

Широко применяется генерация второй гармоники. для передачи ИК-излучения гетеролазера в видимое излучение. Процесс генерации второй гармоники представляется как связь двух волноводных мод равных частот и значений волновых векторов с одной из мод удвоенной частоты и значением волнового вектора. Условия синхронизма имеют вид

с учетом и ,

получаем важное условие для условия синхронизма:

.

Для пленки ZnS толщиной 0,314 мкм выращенной на подложке ZnO отклонение толщины пленки составляет всего 0,006 мкм (2%).

Активные элемены интегральной оптики

Модуляторы, переключатели, сканеры используются для управления параметрами лазерной волновой моды. Это амплитуда, фаза. Поляризация моды. Принцип работы этих устройств основан на изменении показателя преломления материала микроволновода под действием электрического или магнитного полей или упругой деформации. Наибольшее распространение получили электрооптические и акустооптические устройства управления светом. Они основаны на брегговской дифракции на фазовых решетках, индуцируемых электрическим полем или акустоповерхностными волнами.

Технология интегральной оптики

Наиболее важным является получение волноводных слоев и формирование требуемой конфигурации планарных элементов.

Волноводные слои получаются нанесением на подложку пленок из другого материала, либо увеличением показателя преломления приповерхностных слоев подложки радиационным, химическим, термическим или другим воздействием. Для нанесения пленок используют методы термического и катодного распыления. При создании монокристаллических слоев применяются различные способы эпитаксиального выращивания. Повысить показатель приповерхностного слоя можно за счет ионообменной диффузии, электродиффузии, имплантации ионов. Применяются методы получения волноводов путем термодиффузии из напыленной на подложку металлической пленки.

Для формирования требуемой конфигурации отдельных планарных элементов и составленных из них оптических интегральных узлов применяется фотолитография. Для создания монолитных схем интегральной оптики применяют полупроводниковое соединения , монокристаллы диэлектриков, ниобат и танталат лития широко используются для изготовления различных типов интегрально-оптических модуляторов, дефлекторов, переключателей, акустооптических устройств обработки информации.

Литература

Мaркузе Д. оптические волноводы. Пер англ м.1974г.

Ильин В.Г. идр Оптика граданов в книге Успехи научной фотографии. Т23, М1985 г.

Содха м.С. Гхатак А.К. Неоднородные оптические волноводы пер. М.1980 г.

Ильин В.Г. и др. Оптика граданов УФН 1985 т.23,с106.

Moore D. GRIN-4: gradient index optical imaging systems “Applied Optics” 1984v.23,p.1699.

Marchand E.W. Gradient index optics N.Y. 1978.

ПарыгинВ.Н. Балакший В.И. Оптическая обработка информации. М. 1984.

Гауэр Д. Оптические системы связи М. 1989

Хинрикус Техника оптической связи.Фотоприемники. М.1988.