Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция.

Активные элементы интегральной оптики. Излучатели, модуляторы, приемники. Физические эффекты, конструкции, технология

Активные элемента оптических ИС содержат лазеры, фотоприемники, модуляторы.

Важнейшее конструкторское достижение последних лет в области лазерной техники - полупроводниковые лазеры (рис.1.44), созданные с распределенной обратной связью. Торцевые зеркальные поверхности в лазере заменены дифракционной решеткой (рис.1.44,а), обеспечивающей необходимую положительную оптическую обратную связь. В типичном GaAlAs-гетеролазере с распределенной обратной связью шаг дифракционной решетки близок к 0,25...0,4 мкм, глубина рифлений лежит в пределах 0,05...0,1 мкм и составляет, как правило, 5... 10% толщины активной электрической области. Генерируемая спектральная линия может быть очень узкой и значение ?л/л- удается снизить на два, три порядка по сравнению с обычными гетеролазерами.

Выигрыш по величине ц_изл как и по ?л/л , также может достигать нескольких порядков. Кроме того, лазеры с дифракционной решеткой характеризуются в несколько раз меньшим температурным изменением длины волны генерируемого света по сравнению с обычными гетеролазерами.

Сопряжение лазера с волноводом может осуществляться непосредственным переходом активной области в световод, как это показано на рис.1.44,а. Однако более универсальной является клиновидная система сопряжения, в которой активная область и волновод могут быть выполнены из различных материалов и на разных уровнях (рис.1.44,6).

Гетеролазер с распределенной обратной связью и клиновидным устройством сопряжения представляет собой основную конструкцию генератора оптических ИС.

Волновод может быть выполнен на основе пленки фоторезиста (рис.1.44,в), расположенной над оптически менее плотной пленкой SiO₂

В активной области толщина пленки SiO₂ очень мала ,и фактической подложкой волновода является кремний. Так как коэффициент преломления кремния значительно больше, чем у фоторезиста, в этой области волноводные моды преобразуются в моды подложки, т.е. световая энергия из фоторезиста переходит в кремний.

В структуре на рис.1.44,г плоский волновод, изготовленный из нелегированного GaAs , непосредственно переходит в сильно поглощающий участок тройного соединения InGa As. Собирание генерируемых светом носителей заряда осуществляется с помощью барьера Шоттки, образованного платиновым электродом, нанесенным на поверхность полупроводника.

В качестве фотоприемников оптических интегральных схем могут использоваться гетероструктуры. Волноводные фотоприемники характеризуются почти 100% эффективностью, так как в них потери на отражение практически отсутствуют.

В тонкопленочных модуляторах используются различные физические эффекты: электрооптический, магнитооптический, эффект Келдыша - Франца. полупроводниковый лазер конструкторский сопряжение

Модуляторы могут быть построены на основе планарных волноводов, подложка которых изготовляется из материалов, обладающих электро-, магнито- или акустооптическими свойствами. Параметры этих материалов изменяются при соответствующих внешних воздействиях (электрических, магнитных, акустических), что позволяет управлять распространением света в волноводе.

При использовании электрооптического эффекта применяются ниобат и танталат лития в виде тонких пленок.

Линейный электрооптический эффект в полупроводниковых p-n-переходах (в р - i-п структурах, в области барьера Шоттки) возникает в связи с тем, что при приложении обратного напряжения в области объемного заряда изменяется концентрация свободных носителей, что приводит к модуляции диэлектрической проницаемости е , а следовательно, и показателя преломления n . Для обычных объемных модуляторов этот эффект трудно использовать, так как свет пришлось бы вводить в узкую зону вдоль p-n перехода. В тонкопленочиых структурах это является преимуществом. При использовании таких полупроводников, как GaAs ,GaP управляющее напряжение может быть снижено до десятков и единиц вольт.

При создании магнитооптических модуляторов переход к тонкопленочным конструкциям позволяет частично устранить основной недостаток этих приборов - низкую рабочую частоту. Так, феррит-гранатовые модуляторы работают на частотах ~ 10⁸ Гц и потребляемая ими мощность на порядок меньше, чем у лучших образцов электрооптических модуляторов.

Магнитооптические модуляторы в тонкопленочном исполнении характеризуются низковольтным управлением (единицы вольт), что делает их совместимыми со стандартными микросхемами.

Эффект Келдыша - Франца связан с изменением коэффициента поглощения света в полупроводниках. Он состоит в сдвиге края полосы поглощения при создании в полупроводнике сильного электрического поля. При переходе к тонкопленочным волноводным конструкциям необходимые поля могут быть получены при достаточно малых напряжениях (1…10В). Характерной особенностью эффекта Келдыша - Франца является его практическая безынерционность: время релаксации близко к 10^-13 с.

По конструктивным соображениям наибольшее распространение получили электрооптический и акустоэлектрический принципы управления. Простейшая структура планарного электрооптического фазового модулятора (фазовращателя) показана на рис. 1.41). Участок полоскового волновода (2) (или подложки), расположенный между пленочными металлическими электродами (I), выполнен из электрооптического материала, показатель преломления которого изменяется под действием электрического поля электродов

Это приводит к изменению эффективного показателя преломления волновода, в результате на выходе модулятора появляется управляемый сдвиг. С помощью системы параллельно расположенных фазовращателей описанного типа можно на ее выходе сформировать управляемый фазовый фронт и построить оптический рефлектор, обеспечивающий управляемое отклонение светового луча

Простейший амплитудный модулятор также может работать по схеме рис.1.45. В этом случае волновод должен быть рассчитан таким образом, чтобы управляемое изменение показателя преломления переводило его из режима прозрачности в режим непрозрачности. При атом глубина амплитудной модуляции может быть близка к 100%. При этом устройство может выполнять функцию одноканального коммутатора света.

Для создания планарных электрооптических модуляторов применяются также волноводные решетки, образованные электрическими полями периодической системы электродов. Подача на электроды управляющих напряжений приводит к соответствующей модуляции параметров и лучей решеток.

В качестве электрооптических материалов применяют ниобат лития, арсенид и фосфид галия с р-п. переходами, жидкие кристаллы. Значительные возможности для управления световыми пучками предоставляет акустооптическое взаимодействие, обусловленное явлением фотоупругости или изменением показателя преломления вещества под действием механических напряжений. Вместе с этим используется также изменение геометрических размеров волноводов и формы их поверхности под действием звуковых колебаний.

Структура простейшего планарного акустооптического управляющего устройства показана на рис.1.46. Здесь пъезокристалл I с управляющими электродами 2 генерирует продольную звуковую волну, которая через слой 3, отделяющий волновод от поглощающего металлического электрода, и выходной слой 4 проходит в подложку 5. Под действием звуковой волны изменяются параметры волновода (толщина и показатель преломления слоев), что приводит к фазовой модуляции проходящей по волноводу световой волны с частотой звука. Если параметры волновода близки к критическим, происходит амплитудная модуляция. В приведенной схеме возможно использование и сдвиговой объемной звуковой волны, поляризованной перпендикулярно к направлению светового луча. В этом случае звук создает анизотропию волновода, вследствие которой возникает взаимная трансформация ТЕ ,ТМ - волн, сопровождающаяся их амплитудной и фазовой модуляцией.

Наибольший интерес для построения планарных акустооптических управляемых устройств представляют не объемные, а поверхностные звуковые волны (волны Релея), которые могут распространяться в очень тонком поверхностном слое, совмещенном с оптическим волноводом, что позволяет достигнуть наибольшей эффективности акустооптического взаимодействия. Эти волны возбуждаются на поверхности подложки (рис.1.47) с помощью решетки (I), имеющей шаг, равный половине длины рабочей релеевской волны, и образованной встречными металлическими электродами. На них подаются чередующиеся по знаку напряжения, что исключает возможность возбуждения паразитных объемных звуковых волн.

Волна Релея создает на поверхности подложки бегущую периодическую структуру (решетку), на которой может дифрагировать поверхностная световая волна (2,3). Глубина модуляции и период этой структуры зависят от интенсивности и частота звука, что дает возможность осуществлять различные виды акустооптической модуляции света.

Так, световой пучок, отраженный от звуковой решетки под брегговским углом, модулируется по амплитуде при изменении частоты звука или его интенсивности. В режиме излучения изменение периода звуковой решетки приводит к изменению углов излучения, что используется для создания дефлекторов света.

Вследствие эффекта Доплера частота света, дифрагированного на звуковой решетке, смещается на значение, равное или кратное частоте звука. Это явление применяется для частотной модуляции света. В качестве акустооптических материалов используют кварц, ниобат лития, окись цинка, арсенид галлия, полистирол.

Технология

При создании оптических ИМС перспективной является ионная имплантация. Так, источник излучения в интегральном исполнении может быть реализован имплантацией цинка с энергией 30 кэВ и дозой 10¹⁶- см^-2 в арсенид галлия n-типа проводимость, легированный теллуром через защитный слой Al. После отжига при 1173 К в течение 3 ч глубина p-n перехода достигала I мкм. Структура лазерного диода создается обычно скалыванием торцевых и спиливанием боковых граней.

На основе арсенида галлия имплантацией протонов можно реализовать интегральные фотоприемники. Перемещение фотонов осуществляется по волноводу, созданному в арсениде галлия. Для изготовления такого волноводного фотоприемника с барьером Шоттки применяется имплантация протонов с энергией 300 кэВ и дозой 2*I0¹⁵ см^-2 в слое эпитаксиального волновода на основе арсенида галлия. Имплантированная область после отжига в течение получаса при температуре 773 К имеет потери порядка 15 см на длине волны 1,15 мкм.

Методом имплантации протонов можно также изготовить интегральные фотоприемник в волноводе на основе твердых растворов Al_xGa_1-xAs.

Размещено на Allbest.ru