Интегральная оптика и её элементы
Картинка Svstudioart, Freepik
Появление и развитие в начале шестидесятых годов надёжных источников лазерного излучения привело к повышению интереса учёных к области обработки и передачи информации с использованием оптических способов, хотя их использование и связано с определёнными сложностями — потребностью в применении наборов призм, модуляторов, детекторов, зеркал и других элементов оптических трактов.
Подобные устройства обычно монтируют в рамках лабораторий, и они занимают на специальной оптической скамье существенное расстояние между компонентами, которое может измеряться метрами.
Но использование такого подхода вне рамок лабораторий затруднено, так как с одной стороны, он является довольно громоздким, а с другой — флуктуации атмосферы и её загрязнения вносят свои коррективы.
Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!
В рамках работы над озвученными проблемами, в конце 60-х годов появились первые оптические интегральные схемы, в которых основная идея заключалась в том, чтобы заменить провода и радиотракты на оптические каналы, объединённые в рамках миниатюрной схемы.
И уже в 70-х годах эта область получила новый скачок развития в связи с появлением надёжных полупроводниковых лазеров непрерывного действия, оптических волокон с малыми потерями при передаче света, разработкой методов фотолитографии, позволяющих получать субмикронные оптические каналы.
Преимущества оптических линий связи
Как уже было сказано выше, в прошлом наиболее распространённым способом соединений была проводная либо радиосвязь. По сравнению с этими способами, оптическая имеет ряд преимуществ, перечисленных ниже:
- невосприимчивость к электромагнитным помехам;
- невозможность короткого замыкания или «замыкания на землю»;
- может безопасно соседствовать с горючими материалами;
- защищённость от радиоперехвата или подслушивания (оптический сигнал проходит без возбуждения электромагнитных полей, а любое вмешательство в оптический канал связи маловероятно, так как сразу будет замечено);
- ничтожные потери при передаче сигнала. Также, в отличие от других способов передачи, потери в оптическом волокне слабо зависят от частоты, в то время как у альтернативных способов резко возрастают при её увеличении. Например, при использовании двухпроводного кабеля потери существенно возрастают при увеличении частоты модуляции более 100 кГц. В то время как в оптических волокнах величина потерь является несущественной вплоть до 10 ГГц, а максимальная частота передачи ограничивается не затуханием, а явлением дисперсии;
- большая пропускная способность;
- компактные размеры, малый вес, дешевизна производства.
Если сравнивать оптические интегральные схемы с обычными интегральными схемами, то их основные преимущества:
- большая ширина полосы пропускания;
- существенные возможности разделения по частоте (по длине волны), если используется мультиплексирование;
- малые потери при прохождении сигнала, малый вес, небольшая потребляемая мощность;
- высокая надёжность, невосприимчивость к вибрациям.
Элементы интегральной оптики
Система интегральной оптики подразумевает согласованное функционирование целого ряда микроустройств, каждое из которых предназначено для определённой роли. Вкратце их можно показать следующим образом:
Картинка: А.И. Сидоров, Н.В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики»
Изучение принципа их работы является весьма любопытным для неискушённого исследователя, поэтому рассмотрим вкратце некоторые из них.
Как можно было видеть выше, основные элементы интегральной оптики разделены на активные и пассивные. Такое разделение подразумевает, что активные элементы функционируют при приложении определённого управляющего напряжения, пропускании тока или оптического управляющего сигнала.
В отличие от них, пассивные элементы подразумевают фиксированное преобразование информационного оптического сигнала, и их работа не зависит от подачи управляющего сигнала.
▍ Электрооптические волноводные переключатели и модуляторы
Одним из самых важных элементов интегральной оптической системы являются оптические волноводные переключатели и модуляторы света, чьи характеристики и назначение во многом совпадают. В общем случае считается, что устройство является модулятором, если в ходе выполнения основной функции оно вводит информацию в несущую волну света, изменяя во времени одну из его характеристик, а переключатель изменяет пространственное положение света, другими словами, включает и выключает его.
Одним из распространённых видов переключателей являются эксплуатирующие электрооптический эффект, который заключается в том, что при приложении электрического поля изменяются характеристики преломления вещества, к которому приложено это поле, при этом эффект характеризуется как анизотропный и имеет как линейную (так называемый, эффект Поккельса), так и нелинейную (эффект Керра) компоненты.
При этом линейный электрооптический эффект проявляется лишь у кристаллов, не обладающих инверсной симметрией, в то время как нелинейный же эффект у большинства материалов выражен слабо. Кроме того, нелинейная зависимость от электрического поля вводит искажения в модулированный сигнал, что ограничивает применение такого подхода в интегральной оптике.
Основными характеристиками переключателей и модуляторов (в целом, вне зависимости от вида) можно назвать следующие:
- Глубина модуляции: в какой степени приложенный электрический сигнал влияет на уменьшение интенсивности проходящего света.
- Полоса пропускания: диапазон частот, в рамках которых может работать устройство. При этом обычно подразумевается, что полоса пропускания представляет собой разницу между максимальной и минимальной возможной частотой, в которых глубина модуляции уменьшается на 50% от её максимальной величины.
- Вносимые потери: во время работы модуляторы и переключатели вызывают потери оптического сигнала, которые обычно измеряются в децибелах. В общем случае можно сказать, что для компенсации потерь требуется использовать источники света со всё большей мощностью, что в конечном итоге ведёт к большим затратам электроэнергии.
- Потребляемая мощность: в общем случае для использования в качестве модуляторов электрическая мощность должна потребляться только в момент смены состояний, практически не требоваться для поддержания заданного состояния и увеличиваться с увеличением частоты модуляции.
- Изоляция: при проектировании оптических систем следует большое внимание уделять изоляции входов и выходов. Например, в модуляторе величина изоляции между входом и выходом является максимальной глубиной модуляции.
Ниже показан вариант одноволноводного оптического модулятора:
Картинка: Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология»
В его основе лежит плоский волновод, и устройство в целом может работать как фазовый, так и амплитудный модулятор (изменяющий интенсивность).
Для управления модулятором подаётся напряжение обратной полярности на диод на барьере Шоттки, в результате чего волновод превращается в часть обеднённого слоя этого диода, а электрическое поле приводит к изменению фазы световой волны, которая проходит по волноводу, и это изменение пропорционально приложенной величине напряжения.
Кроме одноволноводного, существуют ещё и многоволноводные оптические модуляторы. Их принцип построен на том, что если несколько волноводов расположены друг рядом с другом и синхронизированы, то их оптическая энергия может переходить от одного волновода к другому (подобный принцип ещё используется в ответвителях). В нашем же случае, при добавлении электродов такое устройство превращается в модулятор:
Картинка: Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология»
▍ Акустооптические модуляторы
Кроме модуляторов на основе электрооптического эффекта, существуют ещё и эксплуатирующие акустооптический эффект, суть которого заключается в изменении показателя преломления во время прохождения упругих акустических волн по материалу, вызывающих механические напряжения в нём. Сама природа акустических волн подразумевает, что изменение показателя преломления происходит с некоторым периодом. Ниже показаны два типа модуляторов — Брэгга и Рамана-Ната, различие между которыми заключается только во времени взаимодействия между акустическими и оптическими волнами.
В кристаллических телах акустооптический эффект обладает ярко выраженной зависимостью от ориентации кристалла и довольно слаб даже при оптимальном подборе ориентации и материала и, например, может составлять 
даже при приложении акустического излучения мощностью 100 
. Несмотря на столь малое воздействие на световой пучок, оно может накапливаться, особенно при согласовании фаз (здесь, видимо, подразумевается, при «согласовании фаз модуляции светового пучка и звукового излучения» — прим. автора статьи), что позволяет в итоге получить значительные дифракционные эффекты.
При этом возможны реализации, использующие объёмные акустические волны, проходящие через весь объём среды, либо использующие поверхностные акустические волны, распространяющиеся в приповерхностном слое, который равен длине волны звука. Так как типовая толщина оптических волноводов составляет несколько микрометров, то способ реализации с эксплуатацией поверхностных акустических волн вполне применим для использования в большинстве интегральных оптических схем.
Вне зависимости от конкретной реализации (поверхностных или объёмных волн), существует два типа модуляторов. Первый — Рамана-Ната, где оптический пучок сталкивается с акустическим пучком перпендикулярно, ширина акустического пучка при этом относительно мала, а оптический пучок испытывает лишь простую дифракцию на фазовой решётке:
Картинка: Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология»
Во втором случае, если акустический пучок относительно широк, то оптические волны испытывают многократную дифракцию, прежде чем выйдут из звукового пучка, что даёт в итоге совершенно иную дифракционную картину, так как в этом случае дифракция подобна объёмной картине, получающейся при дифракции на каждой атомной плоскости, и этот принцип используется на модуляторах типа Брэгга, где пучок направляется под определённым углом к решётчатой структуре (образующейся при проходе звуковых волн через материал):
Картинка: Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология»
Сравнивая модуляторы двух типов, можно сказать, что модуляторы Рамана-Ната обладают меньшей глубиной модуляции, если сравнивать их с модуляторами типа Брэгга. Также использование модуляторов Рамана-Ната несколько ограничено, так как они на выходе создают свет, дефрагированный на большое количество порядков, располагающихся под разными углами. Поэтому их нельзя использовать в качестве оптических переключателей, и они используются в схемах сравнительно редко. В противовес им, модуляторы типа Брэгга используются условно широко, и применяются в качестве модуляторов интенсивности пучков, дефлекторов, оптических переключателей.
Интересным является применение модуляторов Брэгга в качестве дефлекторов. Здесь подразумевается, что если частоту подводимого акустического излучения поддерживать постоянно, то оптический пучок может быть отклонён на некоторый угол (существуют специальные формулы для расчёта этого угла). И наоборот, если частота подводимого акустического излучения изменяется, также будет изменяться и угол отклонения оптического пучка. На основе этого принципа строятся не только микроскопические, но и макро-сканирующие устройства, имеющие в своей основе модулятор Брэгга. Автору этой статьи приходилось видеть лазерный сканер, построенный как раз на основе использования акустооптического модулятора: лазерный луч отклоняется по XY, проходя сквозь кристаллы, к которым прикладывается соответствующая акустическая мощность, и если обычно для подобных целей используются микрозеркальные DLP-чипы, то в этом случае лазерный сканер не содержит каких-либо движущихся частей, и луч отклоняется исключительно звуковыми колебаниями в кристаллах:
▍ Фокусирующие элементы
Неотъемлемой частью интегральной оптики являются устройства преобразования световых пучков, одним из которых выступают фокусирующие элементы.
Отличие интегральной от обычной объёмной оптики заключается в том, что интегральная оптика не ограничена только стандартными методами, известными в полноразмерной оптике, например, для плоских оптических волноводов известна зависимость эффективного показателя преломления от поперечных размеров волновода, что позволяет реализовывать преобразователи оптических пучков, которые не имеют аналогов в объёмной оптике — тонкоплёночные фокусирующие элементы используются для изменения фронта светового пучка, а также пространственной фильтрации, фурье-анализа и т. д.
Линзы Лунеберга
Первые варианты реализаций волноводных линз копировали принципы объёмной оптики и представляли собой утолщения волноводного слоя, обладая всем стандартным набором оптических операций, характерных для полноразмерных аналогов, и ситуация существенно улучшилась только после появления линз Лунеберга, имеющих переменный профиль толщины, который обеспечивает непрерывное изменение показателя преломления.
Кроме линз Лунеберга, известны также геодезические и дифракционные линзы.
Линзы Лунеберга создаются по одному из трёх вариантов, показанных ниже, где:
- а — линза и тонкоплёночный волновод создаются из одного и того же материала;
- б, в — создаются из различных материалов.
Картинка: А.С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»
В подобных линзах градиент показателя преломления подбирается таким образом, чтобы пучок света фокусировался на противоположной стороне линзы, однако на практике, удобнее использовать, так называемые «обобщённые лунеберговские линзы», которые обеспечивают фокусировку падающего пучка вне кругового контура линзы.
Однако существует один нюанс, который ограничивает применение подобного типа линз: требуется, чтобы показатель преломления в контуре линзы существенно превосходил показатель преломления подложки, чего довольно трудно достигнуть, при использовании типичных волноводных структур на основе ниобата лития, имеющих высокие показатели преломления. Это уменьшает возможности линз по фокусированию и ограничивает их применение реализацией на стеклянных подложках, что, соответственно, сужает варианты их применений.
Геодезические линзы
Подобные линзы могут реализовываться на любых подложках и хорошо фокусируют разные типы излучений. Они представляют собой, в общем случае, участок волновода, находящийся в углублении или на возвышении и представляющий собой поверхность вращения:
Картинка: А.С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»
Дифракционные линзы
Подобного типа линзы изготавливаются с помощью применения стандартной для микроэлектроники литографии, что обеспечивает их дешевизну, хорошую повторяемость и возможность массового производства.
В качестве подобного типа линз можно перечислить аналоговые линзы Френеля, решётчатые линзы с переменным шагом (с прямолинейными или изогнутыми штрихами), линзы Брэгга с переменной шириной и наклоном полосок.
Картинка: А.С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»
В целом можно сказать, что потребность в достаточно высоких показателях коэффициента преломления ограничивает возможности создания эффективных и компактных линз при использовании совместно с волноводами из ниобата лития и полупроводниковых соединений.
▍ Волноводы
Как уже было сказано ранее, в оптических интегральных схемах используются оптические каналы передачи данных. В них соединительным элементом выступают так называемые «волноводы», представляющие собой, в общем случае, протяжённый в пространстве стержень прямоугольного или условно круглого сечения, имеющий поперечный размер, сравнимый с длиной передаваемой волны, а показатель преломления материала сердцевины волновода превосходит показатель преломления окружающей среды.
Картинка: А.И. Сидоров, Н.В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики»
В приведённой выше схеме регулярные волноводы подразумевают под собой тип, который имеет равномерную границу между сердцевиной волновода и окружающей средой, а нерегулярные — переменные геометрические размеры или показатели преломления, изменяющиеся в пространстве.
Материал, из которого изготовлен оптический волновод, может обладать свойствами усиления — подобного типа волноводы используются в волоконных лазерах и усилителях.
Ниже приведены типы основных поперечных сечений оптических волноводов (ОВ):
Картинка: А.С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»
Как можно видеть по схеме в самом начале этого подраздела, среди типов волноводов имеется так называемый фотоннокристаллический. Это новый тип волновода, появившийся относительно недавно. В его основе лежит открытие фотонных кристаллов, представляющих собой периодические структуры из диэлектрика, с отличающимися показателями преломления:
Картинка: А.И. Сидоров, Н.В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики»
На рисунке выше показаны самые простые варианты фотонных кристаллов:
- а — чередующие диэлектрические слои с высокими и низкими показателями преломления;
- б — представляет собой диэлектрическую пластину с периодически расположенными отверстиями (пустыми или заполненными диэлектриком, с иным показателем преломления);
- в — диэлектрические шары (называются также «искусственным опалом», так как его свойства очень близки к этому камню)
Своё название эти кристаллы берут от свойств подобных структур, так как в такой системе фотоны ведут себя наподобие электронов (в электрическом поле атомов обычных кристаллов) и возникает интерференция между световой волной и периодической структурой атомов кристалла.
В последние годы, дополняя стандартные методы создания волноводов (ионного обмена, фотолитографии и т. д.), появился интересный метод лазерной записи волноводов в стекле, суть которого заключается в необратимом изменении показателя преломления стекла, в результате воздействия на него лазерного излучения. Причём интересным здесь является то, что фокус лазерного луча может находиться как на поверхности стекла, так и внутри него, результатом чего становится получение внедрённых в поверхность волноводов или погружённых внутрь стекла.
Для подобной записи используются специальные фоточувствительные и фоторефрактивные стёкла, а сама запись осуществляется лазерами непрерывного или импульсного действия. При использовании же фемтосекундных лазеров, волноводы могут быть созданы и с использованием других стёкол — например, кварцевых, фторидных, германатных.
Этот метод отличается технологической простотой и отсутствием потребности в сложных фотолитографических процессах и даёт возможность создавать не только волноводы, но и другие элементы оптических интегральных систем: дифракционные решётки, голограммы, микролинзы и т. д.
Подытоживая, можно сказать, что тема оптических интегральных систем весьма обширна, и мы только слегка затронули её, не рассмотрев ещё источники света, призмы, разветвители, способы производства и множество других сопутствующих вопросов. Тем не менее, подобный обзор позволит получить некоторое представление об этой интересной сфере.
Список использованной литературы
- А.С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации».
- Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология».
- А.И. Сидоров, Н.В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики».
- О. Ермаков — «Прикладная оптоэлектроника».
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали?
