ИНТЕГРА́ЛЬНАЯ О́ПТИКА
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ИНТЕГРА́ЛЬНАЯ О́ПТИКА, раздел оптики, в котором разрабатываются принципы и методы объединения (интеграции) на единой подложке разл. оптич. и электронных элементов для создания оптич. и оптоэлектронных устройств. Возникла во 2-й пол. 20 в.
Основой интегральных оптич. устройств являются диэлектрич. микроволноводы (тонкоплёночные и канальные). Свет в них распространяется в виде волноводных мод, ограниченных в одном (тонкие плёнки) или двух (канал) направлениях. Когда свет распространяется в тонкой плёнке, показатель преломления которой превышает показатель преломления подложки, на которой расположен плёночный волновод, ограничение света происходит только по нормали к поверхности плёнки. В канальном волноводе распространение света ограничено не только в направлении нормали к подложке, но и в плоскости подложки. Свет удерживается в результате его полного внутреннего отражения стенками волновода, показатель преломления которых превышает не только показатель преломления подложки, но и показатель преломления сред, обрамляющих канальный волновод. Если свет распространяется в канальном волноводе, то его малые поперечные размеры могут приводить к значит. концентрации мощности света внутри волновода, что существенно облегчает протекание нелинейных преобразований света в среде. Это и было первоначально использовано в устройствах И. о. По мере увеличения числа материалов, применяемых для создания волноводных устройств, увеличивался и ряд всевозможных элементов И. о., позволяющих реализовывать оптич. схемы разл. назначения. Элементы И. о. используются в оконечных устройствах оптич. линий связи (в частности, линий связи со спектральным уплотнением) и в сенсорных устройствах.
Типичный элемент И. о. – мультиплексор, объединяющий каналы связи для передачи их по одному волоконному световоду. Разработан мультиплексор на кремниевой пластине (в качестве подложки) диаметром 100 мм, способный объединить 512 каналов связи с частотным разделением всего лишь в 10 ГГц. Мультиплексор может работать и как демультиплексор, т. е. разделять спектрально каналы связи. Осн. параметры, характеризующие мультиплексор (демультиплексор): число объединяемых (разделяемых) каналов, рабочий диапазон длин волн, потери света на проход, перекрёстные помехи, а также равномерность потерь по спектру. Оптич. схема мультиплексора (демультиплексора) (рис.) представляет собой набор одномодовых канальных волноводов 1 разл. длины, при этом разница длин при переходе от меньшего волновода к большему остаётся постоянной. Концы канальных волноводов располагаются на равном расстоянии друг от друга на круглых границах планарных участков волноводов, которые являются фокусирующими элементами 2 схемы. На других границах фокусирующих элементов схемы также эквидистантно располагаются концы канальных волноводов для ввода и вывода света из схемы. Радиус закругления внутренних границ фокусирующих элементов вдвое больше радиуса внешних границ для обеспечения лучшей фокусировки света на входных и выходных концах волноводов. Набор канальных волноводов разной длины в совокупности с фокусирующими элементами образует дисперсионный элемент устройства. Для его эффективной работы количество канальных волноводов в нём должно быть как минимум вдвое больше числа объединяемых (разделяемых) каналов и не больше числа каналов, при котором между ними возникает туннельная связь.
Демультиплексор может работать также в качестве интеррогатора, т. е. считывателя показаний брэгговских решёток, распределённых вдоль волокна протяжённых размеров и работающих как сенсоры температур. Создан сенсор изменения показателя преломления с точностью до 10–8, в котором использован волноводный интерферометр Маха – Цендера, сочленённый с электрооптич. модулятором света, что значительно повышает отношение сигнал/шум и увеличивает точность измерений. Интегрально-оптич. сенсоры используются в микроэлектромеханических системах для регистрации и управления тонкими механическими изменениями в этих системах, напр. в гироскопах.
Важная задача И. о. – миниатюризация интегрально-оптич. устройств и схем, в особенности используемых в линиях оптич. связи. Один из первых разработчиков мультиплексоров нидерл. учёный М. К. Смит создал демультиплексор размерами ок. 300×200 мкм на базе полупроводникового материала (соединение индий – фосфор), предназначенный для объединения или разделения 4 частотных каналов.
С появлением фотонных кристаллов в И. о. возникло новое направление исследований – разработка и создание планарных и канальных волноводов на их основе. Волновод на основе двумерных фотонных кристаллов представляет собой слой диэлектрика с высоким показателем преломления, структурированный по двум направлениям в плоскости этого слоя. Обычно свет в плоскости нормали к слою удерживается за счёт полного внутр. отражения света в нём. Распространение света в плоскости слоя определяется структурированием слоя, и в частности дефектами структуры, которые сознательно созданы в слое. Дефекты линейного типа образуют канальный волновод, который может реализовывать изгибы с малым радиусом закругления, что существенно сокращает размеры волноводного устройства. Часто элементами структурирования волноводного слоя являются отверстия малого диаметра (100–500 нм), расположенные по двум направлениям с периодом 500–1000 нм. Глубина отверстий достигает толщины волноводного слоя и создаётся с помощью сфокусированного ионного пучка диаметром ок. 20 нм. Периодичность структуры обеспечивается точной трансляцией ионного пучка, позволяющей реализовать желаемую геометрию элементарной ячейки структуры. На основе фотонно-кристаллич. волноводов созданы разл. интегрально-оптич. устройства, характеризующиеся малыми размерами (50×20 нм) и малой потребляемой мощностью, необходимой для обработки сигнала. Это достигается использованием нелинейных элементов, называемых квантовыми точками. Пример такого устройства – переключатель на основе интерферометра Маха – Цендера, обладающий малым временем переключения. Дальнейший прогресс в технологии и физике подобных устройств приведёт к созданию полностью оптич. интегральных схем.