Волноводная фотоника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Основные физические принципы волноводной фотоники

2. Классификация оптических волноводов

3. Геометрическая оптика планарных волноводов

3.1 Классификация мод планарного волновода

3.2 Волноводные моды тонкопленочного волновода

3.3 Эффективная толщина волновода

3.4 Градиентные планарные волноводы

Заключение

Список литературы

Введение

Волноводная фотоника - это одно из современных направлений фотоники. Волноводная фотоника охватывает область науки и техники, связанную с использованием светового излучения (или потока фотонов) в волноводных (волоконных или планарных) оптических элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы, а также производится их запись или отображение. Волноводная фотоника охватывает и объединяет такие направления, как волоконная оптика и интегральная оптика (интегральная оптоэлектроника).

В рамках рассматриваемой работы нас будут интересовать в основном волноводные направляющие системы. Они применяются для передачи высокочастотной энергии в радиоаппаратуре. Основным преимуществом этих систем является широкий диапазон частот, обеспечивающий возможность получения практически неограниченного числа частотных каналов. [1, c.12]

В большинстве случаев волноводные линии передачи используются в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, так как в этом диапазоне они имеют небольшие габаритные размеры и на этих частотах можно увеличить информационную емкость линии, по сравнению с работой на меньших частотах.

1. Основные физические принципы волноводной фотоники

волноводный фотоника оптический

Волноводная фотоника рассматривает разнообразные явления, связанные с распространением света, его преобразованием и генерированием в волноводных структурах на основе тонких (т.е. сравнимых с длиной волны л) диэлектрических и полупроводниковых слоёв. В настоящее время диапазон л, который представляет наибольший интерес для интегральной оптоэлектроники -- от 0,1 до 10 мкм. Волноводная фотоника (интегральная оптоэлектроника) предполагает создание интегральных оптических схем, подобно интегральным микросхемам, на единой подложке. Такие интегральные оптические системы обладают целым рядом преимуществ перед обычными «объёмными» оптическими системами. Во-первых, они могут быть сделаны очень компактными -- обладать малыми габаритами и весом. Во-вторых, они не будут бояться вибраций. Далее, они должны хорошо сопрягаться с электронными и акустоэлектронными планарными устройствами. Для создания интегральных (планарных) оптических устройств подходит планарная технология микроэлектроники, достаточно хорошо разработанная к настоящему времени. [1, c.23]

Рассмотрим теперь кратко некоторые основные физические принципы, на которых базируется интегральная оптоэлектроника.

Волноводное распространение света в тонких слоях происходит путём полного внутреннего отражения (рисунок 1.1).

Оптический волновод, например, может представлять тонкую диэлектрическую плёнку с коэффициентом преломления n0 , нанесённую на подложку с коэффициентом преломления n1?n0.

Световой луч, падая на границу раздела плёнка-подложка под углом и0?и1, где и1 -- критический угол, испытывает полное внутреннее отражение. Точно так же он будет отражаться и от границы плёнка-воздух. Затухание, которое испытывает свет при таком распространении по плёночному волноводу, может быть очень малым -- менее 0,1 дБ/см. [1, c.32]



Рисунок 1.1 -- Тонкоплёночный волновод

Ввод излучения в волновод может осуществляться, например, с помощью помещённой на него с зазором д призмы из материала с коэффициентом преломления n3 (рисунок 1.2). В месте контакта плёнки с призмой происходит нарушение полного внутреннего отражения (преломление), распространяющегося в призме света, в плёнку.

Рисунок 1.2 -- Призменный ввод излучения в оптический волновод

Обычно применяют призмы с n3?n0, т.к. sinи0 может быть близок к единице. Связь между световыми полями в призме и плёнке осуществляется за счёт проникновения в плёнку экспоненциально спадающих полей, имеющих место при полном внутреннем отражении (часто это явление называют туннелированием, а такой ввод -- туннельным).

В плоскости плёнки волноводные световые пучки могут преобразовываться различными пассивными и модулирующими элементами. Например, если в подложке сначала сделать сферическое углубление, а затем нанести плёнку, то волноводный световой пучок, проходя над углублением, испытывает квадратичный по сечению фазовый сдвиг и фокусируется на некотором расстоянии f (рисунок 1.3). Такой элемент является планарной линзой (геодезической, т.к. роль линзы играет углубление).

Рисунок 1.3 -- Геодезическая планарная линза

Легко реализуются в планарных устройствах также электрооптические и акустооптические модуляторы. Последний приведён на рисунке 1.4.



Рисунок 1.4 -- Акустооптический модулятор

Здесь торцевой преобразователь 1 возбуждает в подложке упругие поверхностные волны (УПВ), которые изменяют показатель преломления волноводного слоя по периодическому закону и, таким образом, создают фазовую дифракционную решётку. Волноводный световой пучок 2, падая под углом Брэгга иБ на эту решётку, испытывает дифракцию. Дифрагированный луч 3 оказывается в результате промодулирован сигналом, подаваемым на преобразователь 1. Модуляция может быть амплитудной или частотной. Кроме того, угол отклонения 2иБ пучка 3 зависит от частоты УПВ, что позволяет осуществлять сканирование световых пучков в планарных волноводах. [1, c.45]

Если в качестве подложки используется полупроводник, например, кремний, то здесь реализуются интегральные фотоприёмники (рисунок 1.5).

Поверхность кремния окислена, так что на ней образуется плёнка SiO2 толщиной ~1 мкм. Сверху наносится волновод (из стекла или Si3N4) так, чтобы свет, распространяясь по нему, попадал на p-n переход. Далее наносятся электроды для съёма фототока с p-n перехода. Буферный слой SiO2 предотвращает поглощение света, распространяющегося по волноводу, в кремнии.



Рисунок 1.5 -- Интегрально-оптический фотодетектор

Наиболее «интегральные» инжекционные лазеры реализованы в настоящее время на основе гетероструктур GaAlAs. Рассмотрим схему интегрального гетеролазера на основе двойной гетероструктуры (ДГС).

На границе слоёв n-GaAlAs -- p-GaAs происходит излучательная рекомбинация инжектированных электронов и дырок. Так как у GaAlAs шире запрещённая зона, то область излучательной рекомбинации ограничена тонким (~0,3 мкм) слоем p-GaAs. Кроме того, коэффициент преломления у слоёв GaAlAs меньше, чем у GaAs. Поэтому в этом слое возникает волноводный эффект и свет также в основном распространяется в p-GaAs, где созданы условия инверсии населённостей.

Рассмотрение интегрально-оптических элементов можно продолжить, мы лишь рассмотрели некоторые их них и использованные в них физические принципы. Естественно, что каждый элемент требует более подробного рассмотрения, что мы и попытаемся сделать в нашем учебном пособии. Кроме элементов интегральной оптоэлектроники мы изучим также некоторые методы измерения параметров волноводов, технологию изготовления этих элементов, а также вопросы их «интеграции» (объединения) в интегральные оптические схемы.

2. Классификация оптических волноводов

В настоящее время в интегральной и волоконной оптике используется большое разнообразие оптических волноводов с различными свойствами. Большинство из них можно классифицировать по двум параметрам:

1. Геометрия волновода в поперечном сечении,

2. Пространственный профиль показателя преломления.

На рисунке 2.1 представлены основные типы оптических волноводов, наиболее часто используемых в науке и технике. Подробное описание свойств оптических волноводов, представленных на рисунке, приведено в соответствующих разделах учебного пособия. Здесь дается лишь краткая их характеристика.

По своей геометрии оптические волноводы делятся на волноводы с прямоугольным сечением (планарные и канальные) и волноводы с круглым сечением. Первая группа волноводов используется, в основном, в интегральной оптике - для передачи оптических сигналов на небольшие расстояния (несколько десятков миллиметров), а также их усиления и обработки, например, в интегрально-оптических переключателях, модуляторах, усилителях, лазерах, датчиках. Вторая, в виде оптических волокон - для передачи оптических сигналов на большие расстояния (от несколько десятков метров до километров), например, в волоконно-оптических линиях связи, волоконных усилителях, лазерах, волоконно-оптических датчиках. Иногда применяются волноводы с более сложной геометрией: прямоугольные волноводы на пьедестале, заглубленные в подложке канальные волноводы с круглым сечением, волокна с эллиптическим поперечным сечением и т.д. [2, c.37]

По профилю пространственного распределения показателя преломления в поперечном сечении планарные волноводы и волокна делятся на две группы: со ступенчатым профилем показателя преломления и с альфа-профилем (градиентный профиль). Во второй группе волноводов показатель преломления плавно изменяется от центра волновода к его границе по определенному закону. Наиболее часто используются волноводы с параболическим профилем изменения показателя преломления. В некоторых случаях используются волноводы с многослойным тонкопленочным покрытием. Такие волноводы представляют собой промежуточную группу между волноводами со ступенчатым профилем и волноводами с альфа-профилем.

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

Волноводы описанных выше групп также называют регулярными волноводами, так как они имеют регулярную (неизменную) геометрию в продольном направлении. В то же время, широкое применение в интегральной оптике находят нерегулярные волноводы. Такие волноводы, как правило, имеют периодическую модуляцию показателя преломления в продольном направлении. [2, c.57]

К этой группе волноводов относятся гофрированные и брэгговские волноводы. В гофрированных волноводах имеется периодическая модуляция показателя преломления в продольном направлении на границе волновода. В брэгговских волноводах вся среда волновода в продольном направлении имеет периодическую модуляцию показателя преломления. Волноводы данной группы используются в качестве волноводных фильтров и оптических переключателей, а так-же в волноводных лазерах для создания положительной обратной связи.

Общим для описанных выше волноводов является то, что показатель преломления материала волновода больше, чем показатель преломления окружающей среды. В то же время существуют полые диэлектрические волноводы в виде капилляра прямоугольного или круглого сечения, заполненного газом с показателем преломления n = 1. Такие волноводы используются в волноводных газовых лазерах. [2, c.64]



Рисунок 2.1 -- Классификация оптических волноводов

Для транспортировки мощного лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона иногда используются полые металлические волноводы прямоугольного или круглого сечения.

В последние годы интенсивно исследуются и уже находят практическое применение новые типы волноводов - фотоннокриссталлические и плазменные. Фотоннокристаллический волновод представляет собой волновод прямоугольного или круглого сечения, окруженный фотонным кристаллом. Среда, в которой распространяется электромагнитная волна, может представлять собой полость (n = 1), либо диэлектрик с n > 1. Фотонный кристалл - среда, структура которой характеризуется периодическим изменением коэффициента преломления. Фотоннокристаллические волноводы находят применение в интегральной оптике и волоконно-оптических системах связи.

Плазменный волновод представляет собой протяженную полоску металла с поперечным размером много меньшим длины волны излучения. Особенностью плазменных волноводов является то, что оптический сигнал распространяется не внутри такого волновода, а по его поверхности, в виде поверхностной электромагнитной волны. Это свойство плазменных волноводов связано с возбуждением в металле плазмонов - резонансных колебаний плазмы свободных электронов. Применение плазменных волноводов в устройствах интегральной оптики позволяет значительно уменьшить габариты этих устройств.

3. Геометрическая оптика планарных волноводов

3.1 Классификация мод планарного волновода

Рассмотрим пленочную волноводную структуру (рисунок 2.10), состоящую из пленки, подложки и покровного материала с показателями преломления n0, n1, n2, соответственно. Обычно справедливо неравенство n0>n1>n2, и поэтому существуют два критических угла -- на границе пленка -- покровный слой (и2) и на границе пленка -- подложка (и 1).

В зависимости от угла падения И из пленки на ее границы, можно выделить три случая:

а) при и < и1, и2 полное внутреннее отражение отсутствует, и свет частично проходит через пленку в подложку и в покровную среду (рис. 3.1), преломляясь в соответствии с законом Синеллиуса. В этом случае волноводное распространение света отсутствует, а соответствующее распределение поля называется излучательной модой;

Рисунок 3.1 -- Моды пленочного волновода.

б) если угол и1>и>и2, то распространяющаяся в подложке волна преломляется на границе раздела пленка-подложка, испытывает полное внутреннее отражение на границе пленка-покровный слой, преломляется снова в подложку. В этом случае волноводное распространение света также отсутствует, а соответствующее распределение поля называется излучательной модой подложки;

в) наконец, при и>и1, и2 на обеих границах пленки свет будет испытывать полное внутреннее отражение, и при некоторых дискретных углах и, как мы увидим дальше, будет распространяться в пленке волноводным образом по зигзагообразному пути. Этот случай (рис. 3.1) соответствует волноводной моде. [3, c.86]

Моды планарного волновода подразделяются также на поперечно-электрические (ТЕ) и поперечно-магнитные (ТМ). Для ТЕ-мод отличны от нуля компоненты поля Еy, Нx и Нz, а для ТМмод -- Нy, Еx, Еz. Это следует из электромагнитной теории, которую мы рассмотрим позже. В анизотропных волноводах возможно также существование гибридных мод, когда отличны от нуля в общем случае все шесть компонент электромагнитного поля моды.

3.2 Волноводные моды тонкопленочного волновода

Рассмотрим тонкопленочный волновод из оптически изотропного материала (рисунок 3.2). С точки зрения геометрической оптики поле в волноводном слое можно представить в виде двух плоских волн, которые распространяются в волноводе по зигзагообразному пути, испытывая на границах слоя полное внутреннее отражение:

(E, H ) ~ (Em , Hm )exp(i(щt ? kn0 (±x cosи+ z sinи))), (3.2.1)

щ2р где k волновое число света в вакууме. c л

Постоянная распространения в волноводной моды и ее фазовая скорость н, как видно из (3.2.1), определяется выражением:

в== kn0 sinи. (3.2.2)

Рисунок 3.2 -- Распространение света в тонкопленочном волноводе

Угол и, при котором существует распределение поля, отвечающее волноводной моде, найдем из следующих соображений. Рассмотрим поперечное сечение волновода плоскостью z = const и просуммируем фазовые сдвиги, которые появляются при движении волны от нижней границы пленки x = 0 к границе x=h, и обратно. Для получения самосогласованной картины распределения поля необходимо, чтобы суммарный фазовый сдвиг за такой цикл распространения волны был кратным 2:р

2kn h0 cosи?ц ц р1 ? 2 =2 m, (3.2.3)

где m = 0,1,2,... (целое число). Уравнение 3.2.3 называется уравнением фазового синхронизма или дисперсионным уравнением.

В левой части первый член -- набег фазы при проходе волны от границы x = 0 к границе x = h и обратно к границе x = 0; ц1 и ц2 -- фазовые сдвиги при полном внутреннем отражении от подложки и покровного слоя, соответственно. [3, c.101]

Таблица 1

Номер волноводной моды TE,TMm	Резонансный угол волноводной моды иmTE,TM	Эффективный показатель преломления волноводной моды nmTE,TM
TE0 >	и0TE >	n0TE
TM0 >	и0TM >	n0TM
TE1>	и1TE >	n1TE
TM1>	и1TM >	n1TM
TE2 >	и2TE >	n2TE
TM2 >	и2TM >	n2TM
TE3 >	и3TE >	n3TE
TE3 >	и3TM >	n3TM

Эффективный показатель преломления волноводной моды изменяется в пределах

n0 > >nm n1, (3.2.4)

т.к. sinи<1. При nm <n1 в структуре имеют место излучательные моды подложки.

Нарисуем примерный вид зависимости nm от (рисунок 3.3) для асимметричной волноводной структуры, у которой n1 > n2 . Для каждой моды существует критическая толщина волновода (или толщина отсечки), при которой наступает отсечка для данной волноводной моды (когда nm =n1).



Рисунок 3.3

Минимальная толщина волновода соответствует ТЕ0 моде, т.к. для нее ч = 0 и m=0.

Для симметричной волноводной структуры с n1 = n2 для мод с номером m=0 отсечка отсутствует и при h > 0. Чем больше толщина волновода, тем большее число мод может в нем распространяться. [3, c.134]

Рисунок 3.4 -- Волноводные моды с малыми номерами распространяются под большими дискретными углами к поверхности волновода, Волноводные моды с большими номерами распространяются под малыми дискретными углами к поверхности волновода.

Для конкретной структуры с ростом номера моды m уменьшается как эффективный показатель преломления nm, так и угол распространения иm (рисунок 3.4)

Моды в пленочном волноводе сосредоточены только в пленке.

3.3 Эффективная толщина волновода

При полном внутреннем отражении, как известно, в оптически менее плотной среде распространяются неоднородные плоские волны, амплитуда которых экспоненциально уменьшается с удалением от границы. С точки зрения геометрической оптики можно считать, что зигзагообразный луч как бы проникает на глубину x1 и x2 в подложку и покровную среду, соответственно (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 -- К расчету эффективной толщины планарного волновода

В продольном направлении луч как бы сдвигается на величину 2Z1 и 2Z2. Это явление в иностранной литературе носит название «эффект Гуса-Хэнхена». Такое представление основано на том, что отраженная волна приобретает фазовые сдвиги ц1 и ц2. Таким образом, электромагнитная энергия распространяется не только по волноводному слою, но и в прилегающих областях, т.е. существует эффективная толщина волновода, по которой переносится основная часть энергии моды. [4, c.75]

3.4 Градиентные планарные волноводы

Найдем дисперсионное уравнение для волновода с плавным изменением показателя преломления:

n (x) = n1 + Д n 0 ? f ( x ), (2 .3 .11 )

где n1 -- показатель преломления подложки;

Дn0 <<n1 -- приращение показателя преломления волновода на границе с покровной средой;

Волновой вектор в произвольной точке траектории луча может быть разложен на две составляющие:

kZ = в,

kx = K 2 n2(x)?в2 = n2(x)? n*2 , (3.4.1)

где k = 2р/л.

При выводе (3.4.1) мы воспользовались приближением геометрической оптики, считая, что результирующий волновой вектор равен k ?n(x). Это приближение названо в литературе «приближением ВКБ» (Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна). Запишем его без вывода:

(3.4.2)

(3.4.3)

kx = 0, n(x0 ) =n*, (3.4.4 )

Выражения (3.4.2) и (3.4.3) ограничивают, по сути дела, величину первой и второй производной от kx по сравнению с этой величиной. Заметим, что в точке поворота x0 выполняется условие, а неравенства (3.4.2), (3.4.3) не выполняются. [4, c.107]

Более строгое рассмотрение показывает, что в точке поворота волна приобретает дополнительный фазовый сдвиг

Сдвиг фазы волны при отражении от границы x = 0 найдем из формул (2.3.5) и (2.3.4). Поскольку Дn0 <<n1, а знаменатель n x n? m2 ~Дn0 по порядку величины, при этом числитель n nm ? <<Д1 n0, получим, что ?1 ?р.

С учетом этого дисперсионное уравнение в ВКБ -- приближении запишется:

2Д? = 2рp + ?1 + ?2 (3.4.5)

Если известны Дn0, f (x) то численным расчетом можно найти точку поворота x0p (глубина распространения волноводной моды), а значит и nm -- эффективный показатель преломления.

Заметим, что с увеличением номера моды m величина xm0 увеличивается.

На рисунке 3.6 показано распространение волноводных мод в пленочном (а) и градиентном (б) волноводе без учета эффекта Гуса-Хенхена. Моды в пленочном волноводе сосредоточены только в пленке. Моды градиентного волновода распространяются на разных глубинах. С увеличением номера моды увеличивается глубина распространения волноводных мод.

Риунок 3.6 -- Распространение волноводных мод в пленочном (а) и градиентном (б) волноводах

Рисунок 3.7 -- Распространение волноводных мод в заглубленном градиентном волноводе

Градиентный волновод может иметь немонотонное изменение показателя преломления, например, с увеличением глубины сначала увеличиваться, а потом - уменьшаться. Такие волноводы называются «заглубленные» или в англоязычной литературе - «захороненные» - (buried). В этих волноводах отсутствуют две границы, на которых происходит полное внутреннее отражение света. Распространение света происходит за свет рефракции света. На рисунке 3.7 показано распространение волноводных мод в заглубленном градиентном волноводе. С увеличением номера моды увеличивается область распространения волноводных мод. [4, c. 123]

Заключение

Создание лазеров стимулировало в начале 60-х годов большой интерес к оптическим системам связи. Однако активные исследования в этой области сменились затишьем, поскольку исследователи столкнулись со значительными трудностями. Оптические элементы, фотоприемники, управляющие устройства не допускали создания надежно функционирующих оптических систем, не было также пригодной передающей среды. Передача в открытой атмосфере, как известно, является ненадежной, а потери в существовавших тогда волоконных световодах составляли порядка 1000 дБ/км.

К концу 60-х годов, тем не менее, были созданы как пригодные для оптической связи волоконные световоды (потери меньше 20 дБ/км), так и удобные источники света -- светодиоды и лазеры, работающие при комнатных температурах в непрерывном режиме, на основе арсенида галлия (GaAs). Кроме того, появились теоретические и экспериментальные работы, показывающие возможность реализации тонкоплёночных оптических устройств, выполняющих функции пассивных оптических элементов (волноводов, линз, призм и т.д.), управляющих элементов (электрооптических, акустооптических модуляторов и т.д.). Эти работы положили начало новой области, известной сейчас как интегральная оптоэлектроника.

Список использованных источников

1. Шевченко В. В., Плавные переходы в открытых волноводах, M., 1969;

2. Взятышев В. Ф., Диэлектрические волноводы, M., 1970;

3. Нефедов E. И., Фиалковский А. Т., Полосковые линии передачи, 2 изд., M., 1980;

4. Унгер X.- Г., Планарные и волоконные оптические волноводы, пер. с англ., M., 1980. M. А. Миллер, А. И. Смирнов.

Размещено на Allbest.ru