4. Активні елементи інтегральної оптики
До активних елементів інтегральної оптики відносять різного роду модулятори, дефлектори, перемикачі. Принцип дії їх практично один і той самий. Різниця визначається режимами роботи, конструктивними особливостями, їх призначенням.
4.1. Електрооптичні пристрої
Електрооптичні пристрої реалізуються на широкому класі матеріалів, які включають як напівпровідникові матеріали  і  (наприклад,  ), так і активні діелектрики – ніобати літію, танталу, калію тощо. Найбільшу цікавість викликають модулятори-перемикачі. До них належать модулятори-перемикачі на основі ефекту тунельної перекачуванни світла (або модулятори-перемикачі на зв’язаних хвилеводах, модулятори-перемикачі інтерференційного типу).
В основі роботи електрооптичних модуляторів-перемикачів лежить електрооптичний ефект Поккельса. Суть його полягає в тому, що в деяких оптичних матеріалів показник заломлення змінюється пропорційно прикладеній напруженості електричного поля.
Величина лінійного електрооптичного ефекту, що визначається зміною показника заломлення  , пов’язана з напруженістю поля виразом:
 , (4.1.1.)
де  – показник заломлення матеріалу у відсутності електричного поля,  – електрооптичний коефіцієнт (тензорна величина). У результаті світло, яке пройде в такому матеріалі шлях  , набуває фазової затримки величиною:
 . (4.1.2)
Отже, відбувається відповідна модуляція хвилі за фазою. На відміну від об’ємних оптичних пристроїв, де для аналізу подібного типу модуляції широко застосовуються додаткові пристрої (наприклад поляризатори), в інтегральній оптиці перетворення фазової модуляції в амплітудну здійснюється за допомогою різних інтерференційних схем. Якщо між інтерферуючими пучками існує різниця фаз, то в результуючому полі це проявляється як модуляція інтенсивності.
До основних характеристик модуляторів належить глибина модуляції (коефіцієнт модуляції)  та ширина смуги модулюючих частот  , яка у свою чергу визначає об’єм інформації, що обробляється.
Узагальненим показником якості є величина питомої потужності  або фактор якості, який визначається як потужність збудження до одиниці смуги частот при еквівалентній 84 % модуляції інтенсивності.
а б
Рис. 4.1.1
Як правило, основою хвилевідного модулятора є діелектричний хвилевід, наприклад ніобат літію  або танталу  . Далі технологією дифузії або епітаксіального росту формують структуру із заданими властивостями.
Принципова схема дії таких модуляторів наведена на рис. 4.1.1. Величини електрооптичних коефіцієнтів, які визначають величину зміни коефіцієнта заломлення, залежать від кристалографічної орієнтації матеріалу (від взаємного розташування кристала і напрямку електромагнітної хвилі), що використовується для створення активного елемента. У випадку анізотропних кристалів, таких як ніобат літію, оптимальними орієнтаціями для хвилевідної структури є  - і  -зрізи, як показано на рисунку. Загально прийнято, що для того щоб зв’язати з координатами  кристалографічні напрямки, вісь повинна бути спрямована вздовж оптичної осі кристала. Тому, якщо іде мова про - або -зріз, то це значить, що відповідна вісь перпендикулярна великій площині кристала.
Для отримання максимальних електрооптичних коефіцієнтів керуюче електричне поле повинно бути спрямовано вздовж осі . Це у свою чергу накладає обмеження на конструкцію електродів модулятора. У випадку використання -зрізу (рис.4.1.1, а) електроди розташовані симетрично по обидва боки хвилеводу. Як наслідок - керуючою складовою електричного поля є його паралельна складова  . В активних елементах на -зрізі (рис. 4.1.1, б) для зберігання напрямку модулюючого поля вздовж осі один з електродів наноситься зверху на хвилевідний шар 1 і робочою складовою є вертикальна складова електричного поля  . Акцентуємо увагу на тому, що матеріалом керуючого електрода є метал. Як наслідок, хвилевідна мода, яка розповсюджується по хвилеводу з металевою границею, є затухаючою. Для того, щоб уникнути цього, між електродом та хвилеводом нанесений тонкий ізолюючий шар з низьким (відносно хвилеводу) показником заломлення. Це загальноприйнятий технологічний прийом і далі, коли ми будемо говорити про те, що на поверхню хвилеводу нанесений шар, який є провідником (за винятком спеціальних випадків, коли необхідно створити виведення випромінювання з хвилеводу), то будемо мати на увазі, що він відокремлений від хвилеводу ізолятором. В основному як буферний шар використовують окісні плівки алюмінію ( ) або кремнію ( ) товщиною близько 20 мкм.
Схема, наведена на рисунку 4.1.1, ілюструє також основні схемні конфігурації хвилевідних активних елементів із зосередженими параметрами (рис. 4.1.1, а) та типу біжучої хвилі (рис. 4.1.1, б). Для схем із зосередженими параметрами електроди створюють зосереджену ємність модулятора перемикача. Його смуга частот обмежується добутком ємності електродів на величину опору навантаження  і часом розповсюдження світлового потоку через перемикач-модулятор.
У схемі типу біжучої хвилі світло і модулююча хвиля надвисокої частоти (близько гигагерц) розповсюджуються в одному напрямку. Якщо фазові швидкості керуючого електричного поля й оптичного випромінювання рівні, величина ємності електродів і час розповсюдження світла через модулятор не впливають на смугу частот. Смуга частот обмежується ступенем разузгодження швидкостей оптичної та надвисокочастотної хвиль. Якщо таке разузгодження невелике, то характеристики модулятора погіршуються мало. Додамо, що модулятори-перемикачі типу біжучої хвилі характеризуються також більш високою ефективністю порівняно зі структурами із зосередженими параметрами. Для модуляторів з паралельними пластинами відношення факторів якості складає:
 . (4.1.3)
4.1.1. Модулятори-перемикачі на основі ефекту тунельної перекачуванни світла, або модулятори-перемикачі на зв’язаних хвилеводах
Рис. 4.1.2
Основу електрооптичних модуляторів-перемикачів на базі зв’язаних хвилеводів складають два (або більше) близько розташованих паралельних керованих хвилеводи. На рисунку 4.1.2, представлений модулятор-перемикач X-типу. При збудженні одного з них у процесі розповсюдження випромінювання відбувається перерозподіл енергії між хвилеводами, який залежить від прикладеної до керуючих електродів напруги. Суть явища перерозподілу енергії полягає в наступному. Якщо хвилеводи розташовані на невеликій відстані  , то хвости хвилевідних мод, які виходять за межі хвилеводів, перекриваються. Отже, виникає розподілений зв’язок між полями хвилеводів. Такий розподілений зв’язок має низку унікальних властивостей. Насамперед, це те, що для його виникнення не потрібні інші конструктивні елементи. Треба тільки зсунути хвилеводи на достатньо малу відстань. Зв’язок такого типу має неперервний характер. Наприклад, якщо змінювати відстань між хвилеводами вздовж структури, отримаємо в кожному місці свій коефіцієнт зв’язку. Це дозволяє формувати складні інтегрально-оптичні пристої, наприклад, на одній хвилевідній лінії формувати модулюючі пристрої з різним функціональним призначенням.
Еомплексні амплітуди електричного поля змінюється у хвилеводах за закономірністю:
 , (4.1.4)
де  – коефіцієнт зв’язку. Спочатку енергія з хвилеводу 1 перекачується в хвилевід 2, а потім починається обернений процес.
Отже, у системі з двох хвилеводів виникає щось подібне до коливного процесу.
Повна перекачування енергії між хвилеводами відбувається на так званій довжині зв’язку  . Якщо на довжині  відбувається повна перекачування енергії, то такий стан системи називається схрещеним. Якщо, перекачування енергії не відбувається і світло виходить з того ж самого хвилеводу, в який поступало, то такий стан системи називають паралельним.
Відзначимо, що як випливає з (4.1.4) фази випромінювання в хвилеводах зсунуті на  .
Додамо, що 100-відсоткова ефективність перекачування відбувається лише у випадку, коли константи розповсюдження мод в обох хвилеводах абсолютно узгоджені. Відповідно товщини та коефіцієнти заломлення хвилеводів повинні ретельно контролюватися.
Рис. 4.1.3
Головний недолік таких елементів – неможливість на практиці реалізації 100 % ефективності. Наприклад, неможливе виготовлення хвилеводів з довжиною, яка точно дорівнює . Проте схему можна зробити двосмуговою і одночасно змінювати асиметрично параметри у двох хвилеводах. Окрім цього, напругу можна подавати на таку схему на різні лінії з різною полярністю. Тоді в одному хвилеводі показник заломлення буде збільшуватися, а в другому – зменшуватися.
 . (4.1.5)
Отже, маємо відносну зміну константи розповсюдження  удвічі більшу, ніж у системі з одним електродом.
На рисунку 4.1.3 представлений Y-розголужувач, якій працює за аналогічним принципом, але перекачування енергії хвилі відбувається одночасно у два канали.
4.1.2. Модулятори-перемикачі інтерференційного типу
Рис. 4.1.4. Схема модулятора перемикача інтерфернційного типу:
1 – керуючі електроди; 2 – хвилевід; 3 – підкладенка
Основу інтегрально-оптичних модуляторів-перемикачів інтерференційного типу складають планарні інтерферометри Маха-Цандера. Він створюється двома паралельно розташованими хвилеводами, які на вході та на виході зв’язані  -розгалужувачами (рис. 4.1.4). Вхідний сигнал за допомогою першого розгалужувача поділяється на дві частини. Обидві частини сигналу, кожна з яких проходить через своє плече інтерферометра, сумуються на виході другим -розгалужувачем з урахуванням фазових змін, що відбуваються в процесі розповсюдження. На хвилеводи в плечах інтерферометра наносяться керуючі електроди. Електричне поле через ланцюг керування індукує фазовий зсув такої величини, при якому хвилі приходять у загальну точку або в фазі, або в протифазі. Отже, на виході -розгалужувача або маємо, або не маємо сигналу.
Природно, що глибина модуляції на виході інтерферометра визначається співвідношенням інтенсивностей у плечах інтерферометра. 100-відсоткова модуляція досягається лише у випадках, коли ці інтенсивності абсолютно однакові. Зауважимо, що існують активні засоби корекції інтенсивності в плечах, але вони вимагають додаткових джерел живлення (>30 в) та значно ускладнюють схему модулятора. Проте сучасна техніка фотолітографії дозволяє виконувати -розгалужувачі з високою точністю (саме від неї залежить співвідношення інтенсивностей) та досягати практично 100-відсоткової модуляції.
Сьогодні для модуляторів, побудованих на основі -зрізів , досягаються такі характеристики: керуюча напруга ~ 3.5 в; смуга частот ~ 17 ГГц; фактор якості ~ 7 мкВ/Мгц.
4.1.3. Електрооптичні модулятори на основі ефекту Брега
Рис. 4.1.6. Брегівський модулятор
1 – підкладена, 2 – хвилевід, 3 – додатній та негативний електроди
Типовий модулятор на основі ефекту Брега наданий на рис. 4.1.6 и складається з пари електродів, „переплетених” між собою подібно до двох гребінок. При поданні напруги на електроди коефіцієнт заломлення хвилеводу під ними змінюється. Як наслідок в хвилеводі формується „товста” фазова решітка з періодом  , який дорівнює подвійній відстані між штирками.
При цьому виконується умова, яка характеризує решітку як товсту:
 (4.1.6)
де  – довжина штирків модулятора
Світло, яке розповсюджується в хвилеводі дифрагує на такій гратці. При цьому, в наслідок того, що решітка товста результат дифракції залежить від кута, під яким вона освітлюється  . В наслідок так званого ефекту Брега ефективною є дифракція лише при умові, коли кут дифракції вдвічі більше ніж . Можна показати, що кут освітлення решітки задається співвідношенням:
 (4.1.7)
При зміні кута освітлення решітки відбувається зменшення інтенсивності дифрагованної хвилі. Діапазон зміни кутів освітлення (кути невеликі і  ), при яких інтенсивність падає до 50% від максимальної складає величину
 (4.1.8)
Природно, що інтенсивність дифрагованної хвилі залежить від напруги  , що подається на модулятор:
 (4.1.9)
де  – коефіцієнт, якій характеризує ефективність модулятора та залежить від коефіцієнту заломлення середовища хвилеводу і інших параметрів структури.
4.1.4. Електроабсорбційні модулятори
Рис. 4.1.7
Крива А відповідає випадку коли напруга відсутня, В – до структури прикладена напруга.
Такого типу модулятори теж можна вважати електрооптичними, оскільки для зміни оптичних характеристик модулятора використовують вплив електричного поля. Проте ефект, який при цьому використовують не є ефектом Покклеоьса. Замість цього в електроабсорбційних модуляторах застосовують ефект Франца-Келдиша. При поданні сильного електричного поля границя смуги поглинання в напівпровідниках зсувається в бік довгих довжин хвиль. Так на рис. 4.1.7 надано ілюстрацію такого явища для сполуки  при поданні напруги  В/см. Як бачимо при відсутності напруги (крива А) коефіцієнт поглинання на довжині хвилі  мкм складає величину 25 см-1. При прикладанні напруги крива поглинання зсувається в довгохвильову область та коефіцієнт поглинання для цієї дожини хвилі збільшується практично на три порядки.
Сьогодні створені електроабсорбційні модулятори, напруга живлення яких не перевищує десятків вольт при зміні коефіцієнта поглинання в межах 20 дБ та робочої смуги пропускання ~ 1 ГГц.
Останнім часом такого типу модулятори набувають все більшого розповсюдження не тільки в інтегралній оптиці а і в сучасних волоконноптичних системах телекомунікацій.
|