Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементы интегральной оптики

Термин интегральная оптика был предложен в 1969 г. Миллером и выражает результат синтеза ряда новых идей и представлений. Непосредственным толчком к зарождению этого направления послужили проблемы, выдвигаемые развитием оптической связи. Как известно, типичный оптоэлектронный ретранслятор включает в себя дискретный фотоприемник, лазер, модулятор, пассивные оптические элементы (линзы, призмы, зеркала). В такой системе происходит двойное преобразование энергии (световой в электрическую и обратно). Поэтому возник вопрос: как исключить это двойное преобразование и обработку информации построить непосредственно на манипуляции с оптическими сигналами, поступающими из световода?

Для положительного ответа на этот вопрос необходим прежде всего оптический аналог СВЧ волновода, который бы обеспечивал направленное распространение световой волны без потерь и искажений и мог быть реализован методами интегральной технологии.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что канализация световой волны может быть решена на основе плоских диэлектрических волноводов, представляющих собой тонкопленочный аналог волоконно-оптических световодов.

Разработка диэлектрических волноводов, создание пленочных конструкций лазеров, фотоприемников, модуляторов и их объединение на общей подложке в оптические интегральные схемы - все это явилось первым шагом в развитии интегральной оптики.

Это новое направление фактически представляет собой волноводную оптику, т.е. применение СВЧ методов к решению задач распространения и преобразования оптического излучения.

Развитие интегральной оптики обусловлено стремлением к устранению несоответствия между генерируемыми оптическими пучками с высокой степенью пространственной и временной когерентности, малой дифракционной расходимостью и высокой концентрацией мощности и крупногабаритными оптическими элементами для обработки световых потоков.

Переход от «открытой» оптики к диэлектрическим волноводам открывает перспективы устранения этого несоответствия.

Определенным стимулом для развития техники пленочных диэлектрических световодов является расширение возможности функциональной интеграции, когда кремниевые БИС дополняются элементами оптической связи. Это позволяет создавать схемы с перестраиваемой логикой, постоянных ЗУ с оптическим перепрограммированием и других элементов однородных вычислительных сред ЭВМ пятого поколения. Кроме того, переход от дискретных объемных оптических элементов к их двумерным поверхностным аналогам открывает перед оптоэлектроникой и оптикой возможности полного использования тех преимуществ, которыми располагает планарная технология.

Таким образом, интегральная оптика представляет собой раздел оптоэлектроники, определяемый комплексом физических, технологических, приборных, схемотехнических концепций, методов и средств, позволяющих осуществлять направленное распространение и преобразование электромагнитных волн оптического диапазона в оптических интегральных схемах, основанных на комбинации плоских диэлектрических волноводов и других тонкопленочных оптических и оптоэлектронных элементов.

Научную основу интегральной оптики составляет изучение процессов распространения электромагнитных волн в плоском диэлектрическом волноводе. Последний представляет собой расположенную на подложке тонкую и узкую диэлектрическую полоску, имеющую больший показатель преломления. чем окружавшие ее среды. Поле волны, распространяющейся вдоль такого волновода, быстро ослабевает при удалении от несущей полоски.

Модель такого волновода в достаточно общем виде может быть изображена трехслойной структурой (рис. 1.39), содержащей подложку собственно световод и покрытие.

Решение уравнения распространения Максвелла для направления вдоль оси Z в двумерном случае показывает, что гармоническая волна существует в оптически наиболее плотном среднем слое и экспоненциально затухает в слоях I и 3. Эти волны называют канализированными, или волноводными, модами.

В режиме возбуждения волноводных мод в общем случае в волноводе может существовать конечное число волноводных ТЕ-мод. (с составляющими полей Ex, Hx, Hz,) и ТМ-мод (с составляющими Hy, Ex, Ez)

Число собственных мод тем больше, чем больше отношение W/л (W - толщина волновода), и зависит от соотношения показателей преломления n1, n2, n3.

При некотором значении W=Wkp - мода ТЕ становится волноводной, дальнейшее увеличение W разрешает существование моды TE1, затем моды TE2 и т.д. Аналогичная картина наблюдается и с ТМ-модами. При уменьшении толщины волновода ниже критической волноводные моды превращаются в моды подложки, направленная канализация света прекращается. При сильном различии n1 и n2 и близости n2 и n3

критическая толщина световода

В наиболее характерном случае при л= 0,3 мкм и =10^-3 Wkp составляет 1,2 мкм.

Кроме решения уравнения Макcвелла, для исследования модовых характеристик волноводов пригодна концепция зигзагообразного распространения света. Согласно этой концепции, каждая мода представляет собой луч, падающий на границы волновод - подложка и волновод - покрытие под определенным углом и (рис. 1.39) и распространяющийся внутри среднего слоя вследствие полного внутреннего отражения. Несмотря на зигзагообразный путь такого луча, свет по существу распространяется только в направлении Z, образуя в направлении x-стоячую волну. Постоянная распространения

где

щ - угловая частота световых колебаний.

Предельное значение и, при котором мода остается волноводной, определяется соотношением:

Для того. чтобы плоские волны после многократного отражения интерферировали между собой в фазе, должно выполняться условие

где Ф₂₃- и Ф₂₁ - фазовые сдвиги при полном внутреннем отражении на нижней и верхней границах световода; m - целое число.

Решение этого трансцендентного уравнения дает набор разрешенных значений иm и соответственно вm и фактически определяет собственные моды волновода.

При распространении по волноводу нескольких мод между ними возникает связь, обусловленная рядом дефектов (флюктуации показателя преломления, шероховатость граней и т.д.). Эта связь приводит к обмену мощностью между модами. Чем существенней дефекты, тем сильнее взаимодействие мод и меньше расстояние, на котором происходит заданная перекачка мощности между двумя модами. Для обеспечения малых искажений необходимо, чтобы шероховатости не превышали (0,1…0,03) W.

Из сказанного следует, что для создания оптических интегральных схем необходимо уметь изготовлять плоские диэлектрические волноводы с толщиной, близкой к Wkp (для получения одномодового режима) и с малыми шероховатостями границ ?W.

Приемлемые величины составляют W= 0,5. …5 мкм, ?W=0.1…I мкм, а затухание сигнала В не должно превышать I дБ/см.

Диэлектрические волноводы для оптических интегральных схем стали изготовляться с начала 70-х годов. Все созданные структуры конструктивно достаточно однотипны (рис. 1.40).

Поперечные сечения возможных конструкций полосковых волноводов определяются главным образом применяемой для их изготовления технологией. Иногда используют защитные покрытия для предохранения несущей полоски от внешних повреждений.

Диапазон изменений определяющих параметров составляет:

W=0,3…10 мкм, d= 3…100 мкм, = 10^-2… 10^-3 (здесь = )

Для передачи света по криволинейной траектории волноводы изгибаются в плоскости подложки. При этом возникает дополнительное затухание вследствие излучения с изгибов, тем больше, чем меньше радиус изгиба.

диэлектрический волновод интегральный оптика

Кроме этого, эффект канализации света наблюдается в тонких моно- и поликристаллических пленках ZnSe, ZnO, CdS, GaAlAs, Si и во многих органических веществах.

Потери в оптических волноводах связаны в основном с тремя механизмами: рассеянием, абсорбцией и излучением.

Потери, обусловленные рассеянием, доминируют в стеклянных и диэлектрических волноводах, а поглощением преобладают в полупроводниках и других кристаллических материалах. Потери, обусловленные излучением, становятся существенными в волноводах, изогнутых по кривой.

Абсорбционные потери в тонких аморфных пленках и кристаллических сегнетоматериалах, например LiTaO₃ или LiNiO₃, пренебрежимо малы по сравнению с потерями в результате рассеяния. Однако в полупроводниках наблюдаются существенные потери, обусловленные как межзонным поглощением или поглощением на краю полосы, так и поглощением на свободных носителях. Так, уменьшение суммарной концентрации донорных и акцепторных примесей в GaAs-волноводе от I0¹⁶ до 2*10¹⁵ см^-3 привело к снижению потерь от 4.3 до 1,3 дБ/см при л =1,15 мкм, При приближении к длинноволновой границе спектра потери в полупроводниковых волноводах резко возрастают.

Волоконные световоды в основном создают из плавленного кварца, многокомпонентных стекол и полимеров.

Оптические волноводы с малыми потерями можно создавать ионной имплантацией бора в плавленный кварц без отжига. Характер спектральных потерь в этих оптических волноводах, с одной стороны, зависит от концентрации примесей и содержания гидроксильной группы в исходном материале, а с другой, - определяется дозой и энергией имплантированных ионов. Условия ионной имплантации (энергия ионов, доза облучения и т.д.) существенно влияют на потери в оптических волноводах.

В частности, установлено, что потери в волноводах уменьшаются с увеличением массы иона. В то же время минимальная доза, необходимая для изготовления волновода, возрастает с уменьшением массы иона.

Таким образом, основной вклад в увеличение показателя преломления вносит ядерная тормозная способность. Оптические ответвители наиболее просто изготовлять с помощью ионной имплантации. Для этого на исходной подложке из плавленного кварца диаметром 35 мм с помощью фотолитографии создается рисунок структуры ответвителя с размерами 6х6 мм. Ширина основного волновода равна 170 мкм, каждого ответвляющего канала - 13 мкм, радиус кривизны - 1,5 мм. Ионная имплантация бора и лития проводится через маску фоторезиста с энергией в диапазоне 200…300 кэВ при постоянной дозе облучения 10¹⁵ см^-2. При этом обеспечивалось увеличение показателя преломления и формирования волноводов в областях кварца, не защищенных слоем фоторезиста. Глубина проникновения ионов лития на 40% больше, чем ионов бора, однако последние вызывают большие изменения коэффициента преломления. Далее маска фоторезиста удаляется с помощью плазмы.

Из-за незначительного изменения показателя преломления (~3%) и малого радиуса кривизны потери становятся большими для желтого света и практически бесконечными для красного. Чтобы избежать этого явления, увеличивают радиус кривизны, дозы имплантируемых ионов и их энергию при большей толщине фоторезиста.

Волноводная техника пригодна для изготовления основных видов пассивных оптических элементов.

Эффект призмы (отклонение и поворот светового луча) возникает, если на каком-то участке волновода нанесен дополнительный слой того же вещества в форме треугольника: это объясняется тем, что скорость света зависит от толщины световода.

Линзовый аффект возникает при плавном изменении показателя преломления по сечения волновода. Возможно чисто геометрическое решение этой задачи, когда на части световода создается расширение полукруглой формы.

Распространение света изменяется на обратное (эффект зеркала) при создании на одной из граней световода дифракционной решетки (рис. 1.41). Установлено, что если решетка содержит несколько сот штрихов, световой поток может изменить свое направление на обратное. Расстояние между штрихами должно удовлетворять условию Брэгга

где m - порядок дифракции;

л_B - длина волны света в материале световода.

Так, для осуществления дифракции первого порядка в GaAs волноводе необходимо обеспечить l_B = 0,125 мкм, что затруднительно. Поэтому обычно ориентируются на дифракцию более высокого порядка (m= 2,3…)

Технология диэлектрических волноводов пригодна для изготовления оптических аналогов большинства элементов СВЧ техники: направленных ответвителей, частотно-селективных фильтров, переключателей, фазовращателей и т.д.

Направленное ответвление может быть реализовано несколькими способами. Простейший из них - использование связи волноводов, расположенных близко друг от друга. Установлено, что если постоянные распространения у обоих волноводов одинаковы, на некоторой длине возможна полная перекачка мощности из одного волновода в другой. Если же эти постоянные неодинаковы, происходит частичная перекачка. Для установления связи между волноводами можно приложить обратное напряжение к барьеру Шоттки со стороны одного из них. Таким способом можно переключать до 30% мощности из одного волновода в другой.

Ввод излучения в плоские диэлектрические волноводы решается несколькими способами. Линзовый ввод требует гладкой торцевой поверхности волновода, точной механической юстировки. Более чем 90% эффективность ввода энергии может обеспечить призменный ввод (рис. 1. 43,6). При условиях, что прилегающие поверхности достаточно гладки, зазор между ними не превышает 100 нм и если выполнено условие согласования (2*р/л)*n_пр*sin(ц)=в_m, где в_m - постоянная распространения m-й моды в волноводе. Не менее эффективным может быть и дифракционный ввод, конструктивно более удобный, чем призменный. Очень перспективно использование для ввода-вывода клинообразного конца пленки.

Расчет и эксперимент показывают, что если скос достаточно пологий, волноводные моды с высокой эффективностью преобразуются в моды подложки.

Таким образом, излучение может быть введено со стороны подложки, и вся поверхность оптической ИС остается незанятой. Сопряжение многомодового оптического волокна с многомодовым плоским волноводом осуществляется их соединением на некоторой длине с помощью фоторезиста (рис. 1.43, д). Эффективность ввода при этом может достигать 70, %. Из рассмотренных методов лишь дифракционный и клиновидный достаточно полно отвечают требованиям интегральной технологии, позволяя осуществлять не только связь устройства с внешними элементами, но и волноводов различных уровней в многослойных структурах.

Размещено на Allbest.ru