ИНТЕГРА́ЛЬНАЯ О́ПТИКА

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.

Оптическая схема мультиплексора: 1 – канальные волноводы; 2 – фокусирующие элементы.

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.