Основные направления и компоненты интегральной фотоники

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И КОМПОНЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ.

Андросик Андрей Борисович канд. техн. Наук доцент

Воробьев Сергей Андреевич канд. техн. наук, доцент

Мировицкая Светлана Дмитриевна канд. техн. наук, доцент

Интегральная фотоника — направление техники, связанное с изготовлением на общей планарной подложке нескольких фотонных устройств, которые работают, как с оптическими, так и электрическими сигналами [1−3]. Фотоника включает в себя широкий спектр электрооптических, оптоэлектронных, магнитооптических, акустооптических и термооптических устройств и их разнообразных применений (рис. 1).

Главной целью интегральной фотоники является миниатюризация устройств, что является возможным благодаря малой длине волны излучения, позволяющей создавать схемы фотонных приборов с размерами порядка микрометров. Элементы, присутствующие в интегральных фотонных приборах и устройствах выполняют следующие основные функции: генерации, фокусирования, деления, соединения, связи, изоляции, управления поляризацией, переключения, модуляции, фильтрации и детектирования оптического излучения, которые приведены на рис. 2.

Рисунок 1 Компоненты интегральной фотоники Объединение множества функций в пределах планарной структуры может быть достигнуто посредством планарной фотолитографической технологии. Оптический волновод является основным элементом интегральных фотонных приборов, выполняющий функции ввода, связи, переключения, разбиения, мультиплексирования и демультиплексирования оптических сигналов.

Появление новых фотонных приборов, соединивших оптику и электронику, дало начало другим разделам фотоники, взаимосвязь которых приведена на рис. 3.

Рисунок 2 Основные функции элементов интегральных фотонных устройств На базе вышеперечисленных направлений получили развитие следующие прикладные дисциплины: оптические датчики, оптические системы связи, оптические компьютеры, оптические системы обработки информации и интегрально-оптические системы.

Основными особенностями систем, реализуемых с помощью интегральной фотонной техники, являются:

• 1. Функциональность, основанная на электромагнитной оптике. Основными элементами интегрального фотонного устройства являются волноводные каналы шириной порядка нескольких мкм, в которых распространяется излучение. При анализе интегральных фотонных приборов, распространяющийся свет рассматривается как электромагнитные волны.
• 2. Устойчивое совмещение. Главный критерий хороших рабочих характеристиках устройств — настройка и совмещение различных элементов, которое является критическим и трудно достижимым в обычных оптических системах. Напротив, в интегральных фотонных приборах, оптический чип может быть изготовлен как единое целое, что позволяет избежать проблемы совмещения; последнее гарантирует высокую устойчивость. Интегральные устройства устойчивы к колебаниям и тепловым изменениям, поскольку все оптические элементы интегрированы на одной подложке.

Рисунок 3 Слияние различных дисциплин в интегральную фотонику.

• 3. Простое управление волноводными модами. В большинстве случаев волноводы являются одномодовыми, поэтому проще управлять оптическим потоком излучения, используя электрооптические, акустооптические, термооптические или магнитооптические эффекты, или светом непосредственно путем нелинейного взаимодействия. В случае многомодовых волноводов управление внешними полями более сложное вследствие различия характеристик распространения поля каждой моды.
• 4. Низковольтный контроль. Для устройств, основанных на управлении светом путем электрооптического эффекта, малая ширина волноводного канала позволяет уменьшить расстояние между управляющими электродами. Это подразумевает, что напряжение, требуемое для получения определенной амплитуды электрического поля, может быть снижено. Если стандартное напряжение для электрооптического управления в обычных оптических системах имеет порядок нескольких кВ, то в интегральных фотонных устройствах необходимое напряжение не превышает нескольких вольт.
• 5. Высокая скорость выполнения операций. Небольшой размер управляющих электродов в электрооптическом интегральном фотонном приборе подразумевает низкую емкость, что обеспечивает более высокую скорость переключения и большую ширину полосы модуляции. Типичные модуляции порядка 40 Гбит/сек, легко достигаются при использовании ниобата лития, полимеров или устройств на основе InP.
• 6. Эффективное акустооптическое взаимодействие. Поскольку распределение поля поверхностных акустических волн (surface acoustic waves (SAW) — ПАВ) расположено в интервале нескольких длин волн ниже поверхности подложки (десятки мкм), ПАВы и волноводные моды перекрываются, давая начало эффективным акустооптическим взаимодействиям. Таким образом, используя ПАВы, генерируемые пьезопреобразователями, можно разработать высокоэффективные интегральные оптические приборы, основанные на акустооптическом эффекте.
• 7. Высокая оптическая плотность мощности. По сравнению с обычными оптическими пучками, оптическая плотность мощности в волноводном канале очень высока из-за малой площади поперечного сечения волновода. Это свойство играет важную роль при разработке устройств, требующих высокой интенсивности облучения, типа преобразователей частоты (через нелинейные эффекты) или усилителей оптического диапазона и лазеров. Такие устройства эффективны при проектировании и изготовлении интегральной фотонной техники.
• 8. Компактность и малый вес. Использование единой подложки площадью несколько мм² для интегрирования различных фотонных устройств делает оптический чип компактным и легким.
• 9. Низкая цена. Интегральные устройства, изготовленные на основе литографии и планарной технологии, находят все большее применение; кроме того, уменьшается количество материалов, используемых при создании фотонных устройств, а, следовательно, падает их стоимость.

Фундаментальное понятие интегральной фотоники — волноводный канал, среда, которая обладает определенной геометрией и показателем преломления, окруженная средой с более низкими показателями преломления. Канал действует как фильтр, ограничивающий распространение оптического излучения за счет явления полного внутреннего отражения на границах.

Оптические волноводы можно классифицировать по двум основным параметрам: по геометрии волновода и по профилю показателя преломления в поперечном и продольном направлениях. По геометрическим характеристикам волноводы делятся на две группы: регулярные и нерегулярные волноводы (рис. 4).

К регулярным относятся волноводы, имеющие равномерную и гладкую границу между ядром волновода и окружающей средой, а также волноводы, в которых отсутствует модуляция показателя преломления в продольном направлении. Основными типами регулярных оптических волноводов являются планарные, полосковые волноводы, а так же цилиндрические волноводы. Планарный (пленочный) волновод — тонкая диэлектрическая пленка с малыми оптическими потерями. Они бывают симметричными и несимметричными и представляют собой простейшую модель оптического волновода. Планарные волноводы предполагаются широкими без ограничения в поперечном к распространению волны направлении. Полосковые волноводы — волноводы, которые имеют ограниченную ширину в поперечном направлении. Регулярный волновод, обладающий круговой симметрией получил название оптического волокна илисветовода.

Нерегулярные волноводы имеют либо пространственно-периодическую модуляцию геометрических параметров, либо показателя преломления. К нерегулярным волноводам относятся гофрированные, брэгговские волноводы и фотоннокристаллические волноводы. В гофрированных волноводах имеется периодическая модуляция показателя преломления в продольном направлении на границе волновода. В брэгговских волноводах сердцевина волновода в продольном направлении имеет периодическую модуляцию показателя преломления.

Материал оптического волновода может обладать усилением. Волноводы с усиливающей средой используются в волноводных и волоконных лазерах и усилителях.

Плазмонный волновод представляет собой протяженную полоску металла с поперечным размером и толщиной много меньшими длины волны излучения. Особенностью плазмонных волноводов является то, что оптический сигнал распространяется не внутри такого волновода, а по его поверхности в виде поверхностной электромагнитной волны.

Это свойство плазмонных волноводов связано с возбуждением в металле плазмонов — резонансных колебаний плазмы свободных электронов. Применение плазмонных волноводов в устройствах интегральной фотоники позволяет значительно уменьшить габариты этих устройств.

Основные типы прямоугольных оптических волноводов по геометрии рассмотрены в [3]. При выборе определенной структуры для решения конкретной проблемы исходят из соображений связи с соответствующими устройствами; трудоемкости изготовления; потерь в волноводе; типа материала подложки; максимальной температуры, требуемой при изготовлении [4]. оптический волновод фотонный интегральный.

Гребенчатый волновод (ridge waveguide). В этом волноводе разность показателей преломления пленки и подложки не превышает доли процента, но если воздух используется в качестве окружающего слоя, разница показателей преломления на границе воздух-пленка значительно больше и вытекающие волны значительно уменьшаются. Любые шероховатости на границе воздух-пленка ухудшают условия распространения волны и приводят к потерям излучения в волноводе. Волноводный канал помещается непосредственно на подложку с более низким показателем преломления. На первый взгляд, структура выглядит простой, однако требуется много усилий, чтобы обеспечить гладкость трех стенок волноводного канала для минимизации потерь излучения.

Ребристый волновод (rib waveguide). В таком волноводе слой пленки располагается на подложке, при этом толщина волноводного канала вдоль середины пленки возрастает. С ростом толщины волновода возрастает эффективный показатель преломления в центральной области пленки, и излучение ограничивается этой зоной. Эта структура также имеет три критические стенки на границе сердцевина-воздух, требующие повышенной гладкости поверхностей.

Рисунок 4 Основные виды оптических волноводов.

Загруженный волновод (strip-loaded waveguide). Первоначально на подложку наносится пленка с низким показателем преломления. Затем наносится полоска с показателем преломления ниже, чем у пленки, но выше, чем у покрытия пленки (т. е. воздуха). В зоне, где располагается полоска, эффективная глубина вытекающей волны больше, чем в смежных областях. Таким образом, эффективный показатель преломления возрастает по сравнению со смежными областями, и излучение ограничивается зоной ниже полоски. Преимуществом этого типа волноводов является снижение требований на гладкость поверхностей на границе раздела воздух-пленка.

Внедренный волновод (embedded waveguide). У таких волноводов только одна стенка соприкасается с воздухом, поэтому требования к гладкости поверхности значительно ниже, чем у первых двух типов. Если для сердцевины используется электрооптический материал, электроды можно располагать в непосредственном контакте со световедущим каналом для эффективного использования внешних полей. Если два утопленных волновода расположены в непосредственной близости, так что их вытекающие поля перекрываются, наблюдается связь между волноводами через вытекающие поля. Такое явление является основой оптических волноводных ответвителей.

Погруженный волновод (immersed waveguide). В таком волноводе сердцевина со всех сторон окружена оболочкой. Математическое описание облегчено за счет симметрии по осям Х и У. В основной моде отсечка не наблюдается. Однако такая геометрия не подходит для устройств, требующих использование электродов.

Выпуклый волновод (bulge waveguide). Этот тип является разновидностью ребристого волновода. Форма его не столь критична, однако снова требуется высокая гладкость поверхности для минимизации потерь. Основные характеристики выпуклого и гребенчатого волноводов аналогичны.

Металлизированный волновод. В нем проводящий пленочный слой покрыт парой металлических полосок. В области, где пленка покрыта металлом, вытекающая волна отсутствует, и эффективный вес волновода снижен. С уменьшением толщины волновода эффективный показатель преломления также убывает. Центральная область ограничена зонами с низким показателем преломления, таким образом, формируется волновод. Небольшие потери излучения наблюдаются на металлической поверхности, поскольку металл не является идеальным проводником на оптических частотах. В таких волноводах металлический слой удобно использовать в качестве электродов для формирования внешнего контрольного поля электрооптического устройства. Примером этого является электрооптический модулятор излучения.

Буферный металлизированный волновод. Потери излучения в металлическом слое можно минимизировать путем помещения тонкого диэлектрического буферного слоя между металлом и пленкой. Показатель преломления буферного слоя должен быть ниже, чем у пленки для каналирования излучения преимущественно в пленочном слое. Путем выбора толщины буферного слоя, можно снизить поглощение выбранных мод. Это свойство используется при создании фильтров мод. Поскольку толщина буферного слоя не превышает нескольких десятых микрометров, металлический слой можно эффективно использовать для формирования внешнего электрического поля для электрооптических устройств.

Основные компоненты интегральной фотоники. По аналогии с электронной аппаратурой, в интегральной фотонике есть некоторые основные компоненты, являющиеся общими для большинства интегрально-оптических устройств. Хотя, в основном, все эти компоненты выполняют те же функции, что и соответствующие устройства в обычной оптике, механизм работы этих компонент отличен, а их дизайн не имеет ничего общего с традиционными оптическими изделиями.

В настоящее время список интегральных фотонных приборов быстро увеличивается, однако, номенклатура основных компонентов остается почти неизменяемым. Ниже рассмотрены базовые блоки, из которых строятся более сложные интегрально-оптические устройства. Выделены некоторые из общих компонент и показаны особенности проектирования интегральных фотонных приборов по сравнению с аналогичными оптическими компонентами. Главное отличие заключается в том, что в обычной оптике свет рассматривается как плоские волны или пучки, в интегральной оптике при моделировании используется формализм электромагнитных волн; это происходит, поскольку размер пучка имеет порядок длины волны излучения, обычно в несколько микрон. Фактически, оптическое распространение в интегральных фотонных приборах связано с волноводными каналами размером несколько микрометров по высоте и ширине. Канал расположен в одиночной плоской подложке, другие связанные элементы (электроды, пьеза элементы, нагреватели и т. д.) расположены на той же подложке, что обеспечивает устойчивость и компактность фотонному прибору. Все основные компоненты, описанные ниже, формируются на одномодовых канальных волноводах.

Оптические элементы, располагающиеся в оптическом чипе, классифицируются по функциональным возможностям на пассивные, активные и нелинейные. Пассивные оптические элементы устанавливают входные/выходные характеристики, определяемые при изготовлении фотонного элемента. Примерами являются делитель мощности (power splitter), волноводный отражатель (waveguide reflector), направленный ответвитель (directional coupler), поляризатор и поляризационный делитель пучка (polarisation beam splitter). Функциональные оптические элементы — фотонные компоненты, управляемые с помощью внешних полей (например, электрическими, акустическими или тепловыми). В эту группу входят фазовый модулятор, модулятор интенсивности, конвертер частоты и электрооптический конвертер TE/TM конвертер. Хотя некоторые авторы называют эти элементы активные устройствами, здесь используется название «активные элементы» для фотонных компонентов, выполняющих функции оптического усиления и лазерной генерации. Этот выбор связан с тем, что они используют активные примеси (типа редкоземельных элементов), внедренных в структуру волновода; усиление (или генерация) происходит за счет процесса люминесценции, возникающей при оптической (или электрической) накачке. Интегральный оптический усилитель (integrated optical amplifier) иинтегральный лазер (integrated laser) — два примера активных элементов (activedevices). Некоторые интегральные оптические устройства используют нелинейность определенных материалов для выполнения удвоения частоты (frequency doubling) или оптического параметрического усиления (optical parametric oscillation); при этом оптический чип генерирует новые частоты путем нелинейного оптического процесса. Поскольку эффективность нелинейных процессов пропорциональна интенсивности света, такие устройства хорошо работают в интегральном фотонном варианте благодаря малым поперечным размерам области волновода, по которому распространяются лучи.

Все оптические компоненты в интегральной фотонике создаются на основе трех базовых элементов: прямой волновод (straight waveguide), изогнутый волновод (bend waveguide) и делитель мощности (power splitter). Используя эти элементы, были разработаны несколько базовых компонентов для выполнения основных оптических функций. Универсальность является одной из особенностей интегральной фотоники. Ниже рассмотрено несколько базисных блоков и оптических элементов, выполняющих основные функции, присущие многим интегральным оптическим устройствам.

Соединитель (Interconnect). Этот базовый элемент служит для оптической связи двух точек фотонной схемы (рис. 5, a). Прямой канальный волновод (рис. 5, б) является самой простой структурой для распространения излучения и связывает различные элементы, расположенные на оптическом чипе. Он может также действовать как пространственный фильтр Гауссовых мод. Для связи различных элементов, расположенных не на одной оптической оси устройства, необходим волновод изгиба, поэтому последний часто называется изогнутым волноводом (рис. 5, в). Они также используются как пространственные канальные волноводы в торцах схемы для присоединения к схеме волоконных жгутов (multiple fibers).

Делитель мощности 1×2 (Power splitter 1×2). Делитель мощности 1×2 — симметричный элемент, разделяющий мощность прямого волновода между двумя выходными волноводами (рис. 5, г). Самый простой вариант делителя мощности — тройник с плавными отводами (Y-branch — Yразветвитель) (рис. 5, д), легкий в изготовлении и относительно нечувствительный к производственным допускам. Однако радиусы кривизны двух переходов и соединения должны быть корректно спроектированы во избежание потерь мощности. Кроме того, если два плеча отделены наклоненными прямыми волноводами, угол наклона должен быть малым, не превышающим несколько градусов. Другой вариант делителя мощности —многомодовый интерференционный элемент (MMI — multi-mode interferenceelement, (рис. 5, е). Это название исходит из многомодовой характеристики широкой волноводной области, где присутствует деление мощности.

Рисунок 5 Интегральные фотонные элементы Список литературы.

• 1. Андросик А. Б., Воробьев С. А., Мировицкая С. Д. Основы волноводной фотоники. М.: МГОУ, 2009. 246 с.
• 2. Андросик А. Б., Воробьев С. А., Мировицкая С. Д. Математические основы волноводной фотоники. М.: МГОУ, 2010. 224 с.
• 3. Андросик А. Б., Воробьев С. А., Мировицкая С. Д. Волноводная и интегральная фотоника. М.: МГОУ, 2011. 370 с.
• 4. Андросик А. Б., Воробьев С. А., Мировицкая С. Д. Анализ основных типов оптических волокон // Приволжский научный вестник. 2011. № 4, С. 7−19.