Оптические волноводы. 
Электроника. 
Часть 3 квантовая и оптическая электроника

Информационные системы, в основе которых лежат квантовые структуры, включают в себя следующие основные элементы:

О волноводы, представляющие собой континуальную среду для передачи световой информации к приемнику излучения;

• ? устройство управления световыми потоками, с помощью которых в световой луч может быть внесена необходимая информация;
• ? приемники излучения, позволяющие детектировать сигнал и расшифровывать всю записанную в световом пучке информацию.

Рассмотрим все эти элементы квантовых систем обработки и хранения информации.

Плоские волноводы

Передача информации от излучателей (генераторов) света к приемникам излучения осуществляется с помощью волноводов.

Волноводы представляют собой искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области. Основным свойством волноводов является существование в нем дискретного набора нормативных волн или мод, распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями.

Под фазовой скоростью будем понимать скорость перемещения фазы волны в определенном направлении. В случае плоской монохроматической волны фазовые фронты или плоскости постоянной фазы отличаются от волнового вектора, и могут в некоторых случаях превышать скорость распространения света. Существует зависимость фазовой скорости от частоты, которая определяет дисперсию волн. Дисперсия может привести к искажению формы передаваемого сигнала.

Групповая скорость волн представляет собой движение группы или цуга волн, образующих в каждый момент времени локализованный в пространстве волновой пакет.

В линейных средах соблюдается принцип суперпозиции и поэтому волновой пакет представляет собой набор гармонических волн. Длина пакета Д/ и ширина спектра До ограничены снизу соотношением

где волновое число к связано с частотой со дисперсионным соотношением со = со (к). Групповая скорость определяет скорость переноса энергии волнами. Существующие методы измерения скоростей распространения волн дают значение групповой скорости. Согласно теории относительности групповая скорость не может превышать скорость распространения света в вакууме.

Механизм канапизации электромагнитных волн в волноводах основывается на явлении полного внутреннего отражения. Если на границу двух прозрачных сред с показателями преломления л, и п_г из среды с большим показателем преломления, например, м, > л₂. под углом фф падает свет, то происходит полное внутреннее отражение. При этом величина ф_А/, такова, что выполняется соотношение.

Обычно волновод реализуется между подложкой и покровным материалом. Такая структура представлена на рис. 4.1 и характеризуется показателем преломления канала //", подложки п," покровного материала п₀. Необходимо, чтобы выполнялось соотношение.

Существуют два критических угла, благодаря которым свет может каналироваться: угол полного внутреннего отражения ф" на границе раздела «канал—подложка» и угол полного внутреннего отражения ф₀ на границе «канал—покровный слой». В противном случае имеют место потери света в подложке и покровном материале, который пронизывает канал и выходит через покровный материал (рис. 4.1, а). Такая электромагнитная мода называется излучательной.

Рис. 4.1. Распространение волн в плоском волноводе: а — излучательные моды: б — излучательные моды подложки; е — волноводные моды.

Если увеличить угол падения света так, чтобы выполнялось соотношение.

то распространяющийся свет отражается от границы с покровным материалом и преломляется обратно в подложку, и в этом случае говорят об излучательной моде подложки и речь не идет о волноводном распространении света (рис. 4.1, б).

Если увеличить угол ф так, чтобы выполнялось условие полного внутреннего отражения от подложки, то наблюдается полное внутреннее отражение как от границы раздела «канал—подложка», так и от границы раздела «канал— покровный материал» .

Теперь световая волна, попавшая в канал, будет распространяться в нем по зигзагообразному пути. Эта волна называется волноводной модой (рис. 4.1, в). Волны света испытывают полное внутреннее отражение на границах канала.

Волны монохроматичны и когерентны, их угловая частота равна ш, длина волны X, а волновой вектор в направлении нормали к волновой поверхности равен кп" так что.

где с— скорость света в вакууме. Постоянная распространения р для волновой моды в плоском волноводе определяется выражением:

где Уф — фазовая скорость.

Значение р лежит в пределах кп" < р < кп_К.

Введем понятие эффективного волноводного показателя преломления как величину N = р / А = л.-sintp, который лежит в пределах.

На рис. 4.2 представлены различные режимы распространения мод в волноводном канале и соответствующее распределение полей мод Е (х).

Рис. 4.2. Распространение полей мод при различной постоянной распространения р.

При Р> Ал. распространение моды имеет экспоненциальный характер. Такой тип колебаний не имеет практического применения, и поле неограниченно растет в подложке и в покровном слое (рис. 4.2, а).

При условии Ал" < р < Ал. мода имеет поля, представленные на рис. 4.2, б, в. Это гармоническая колебательная функция с максимумом распространения по оси канала или с образованием в поперечном сечении волновода стоячей волны. Это волноводные моды. Излучательная мода подложки реализуется при условии Ал₀ < Р < Ал". Они могут существовать в волноводной структуре, однако быстро затухают из-за перекачки из канала в подложку.

Если постоянная распространения лежит в интервале 0 < р < Ал," то мода колебаний характерна для всех областей (рис. 4.2, д). Это соответствует излучательным воздушным модам, которые быстро затухают.

Этот тип мод не используется для передачи сигнала. Проведенный анализ показывает, как важно правильно ввести пучок света в планарный волновод через элемент связи. Различают поперечные и продольные элементы связи. В поперечных элементах связи пучок фокусируется на открытое поперечное сечение волновода. В эту категорию входят элементы связи прямого действия.

На рис. 4.3 приведена возможная схема ввода излучения в волновод и преобразования светового пучка в поверхностную волну. Преобразование энергии пучка в поверхностную волну происходит путем согласования электромагнитного пучка с полем поверхностной волны. Распределение интенсивности по сечению волновода соответствует моде ТЕ₀.

Очевидны потери световой энергии на границах планарного волновода. Поэтому поперечная схема элементов связи не нашла широкого применения.

В оптических системах волновод принято называть световодом, который предназначен для направленной передачи света.

В продольных элементах связи пучок света падает наклонно по отношению к световоду. К этим элементам связи относят, прежде всего, призмы и решетчатые элементы.

В случае использования призменного элемента для ввода излучения пучок света падает на призму, показатель преломления которой п_р (рис. 4.4). Угол падения выбирается таким, чтобы он удовлетворял условию полного отражения:

Одновременно угол падения должен удовлетворять условию согласования фаз:

где к_р— волновой вектор, Р" — постоянная распространения поверхностной волны, I.— длина связи призмы и световода.

Полный обмен энергией может быть осуществлен при реализации условия.

где ?— коэффициент связи между излучательной модой и модой поверхностной волны. Если высота воздушного промежутка h₀ достаточно высока, то между модами света в призме и волновода существует слабая связь. При незначительных размерах промежутка h₀ энергия пучка призмы передается в канал благодаря эффекту оптического туннелирования света. Этот эффект вызван нарушением полного внутреннего отражения. При этом должно выполняться условие согласования фаз между модами призмы и канала. Перекачка энергии из излучательной моды, совпадающей с полем пучка, может происходить при условии

где w — ширина (апертура) пучка падающего излучения.

Вследствие свойства обратимости световых пучков можно вывести излучение из волновода через призму. Таким образом, призменный элемент связи позволяет осуществлять преобразования пучок света -* поверхностная волна и поверхностная волна -* пучок света.

Рис. 4.3. Схема поперечного элемента связи Рис. 4.4. Схема призменного элемента связи Недостатком призменных элементов связи является требование высокого значения показателя преломления п_г> п" материала призмы. Например, для волноводов из GaAs, имеющих достаточно высокий показатель преломления, трудно подобрать призму с еще более высоким показателем преломления.

Другая трудность заключается в настройке воздушного зазора Л₀, толщина которого обычно меньше половины длины световой волны. К тому же в зазоре возможно скопление частиц пыли, что резко увеличивает потери световой энергии.

Решеточный элемент связи работает аналогично призменному элементу. Однако в этом случае отсутствует воздушный зазор. Решеточный элемент связи обладает периодической структурой (рис. 4.5). При падении на решетку волны рождаются гармоники, локализированные в области решетки.

Продольные постоянные распространения этих гармоник равны:

где v— индекс, 0, ±1, ±2; р₀— постоянная распространения поверхностной волны, ро * ко = 2к / Х<|, где Ао — длина волны падающего излучения; d— период решетки. Благодаря отрицательным значениям и возможны значения р_и < Ро, при которых будет удовлетворяться уровень согласования фаз A_o sin0 = p_u, что выполняется при соответствующих значениях и, d, А, 0.

Поле поверхностей волны состоит из гармоник и, следовательно, энергия, передаваемая пучком одной из гармоник, связана с основной гармоникой. Эта гармоника распространяется в канале и превращается в поверхностную волну.

Решетка может быть изготовлена в виде пленки фоторезиста, предварительно экспонированной интерференционной картиной волн. В зависимости от фоторезиста и способов его обработки решетка может иметь синусоидальную, трапецеидальную или треугольную формы.

Основной недостаток решетчатого элемента связи состоит в том, что значительная часть световой волны гасится в подложке вследствие многократного прохождения через решетку. Это ограничивает эффективность связи, которая меньше, чем у призменных элементов связи.

Существуют и другие элементы связи, например, голографического типа. Однако они применяются редко.

Рис. 4.5. Схема решетчатого элемента связи.

Волноводы могут быть выполнены на пассивных и активных подложках.

Для выполнения пассивных функций используются волноводы на стеклянных подложках. Это просто и экономично. Одним из методов получения волноводных структур является легирование стекла путем ионного обмена в электрическом поле между ионами стекла и ионами легирующей примеси. Таким способом создаются волноводные структуры различной конфигурации. Возможно использование методов ионной имплантации. Этим методом удается получить изменение коэффициента преломления на 10—15% и снизить оптические потери до 0,1 дБ/см. Для пассивных волноводных структур используются тонкие пленки, полимерные пленки.

Активные волноводные структуры формируются на основе активных диэлектриков, например, кристаллов ниобата лития, титаната лития.

Оптическими свойствами активных диэлектриков и соответствующих волноводных структур можно управлять с помощью внешних электромагнитных полей.

Волноводные каналы в активных диэлектриках формируются с помощью процессов диффузии ионов, имплантации, эпитаксии. Например, широко распространена структура волновода на основе легирования титаном ниобата лития Ti: LiNbOj.

К активным волноводам относятся также структуры, полученные на полупроводниковой основе, например, на соединениях типа А³В⁵, А*В⁴. Необходимый перепад показателя преломления в таких структурах достигается за счет многослойных структур с плавным или ступенчатым изменением состава при переходе от слоя к слою.

Одновременно можно менять концентрацию свободных носителей в полупроводнике и создавать области с различными показателями преломления.

В табл. 4.1 приведены некоторые параметры материалов для волновых структур.

Таблица 4.1. Сравнительные характеристики волноводных структур

Полупроводниковые волноводы, как правило, изготовляют из тех же материалов, что и интегрируемые с ними инжекционные лазеры и фотоприемники.