На основе какого материала формируется интегральный лазер

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021

Полупроводниковые лазеры являются квантовыми генераторами на основе полупроводниковой активной среды, в которой оптическое усиление создаётся вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическими уровнями при большой концентрации носителей заряда в свободной зоне.

Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Появление такого электронного компонента стало революцией в конструировании электрических устройств разной сложности. Луч, образованные диодами высокой мощности, используется в медицине при выполнении всяческих хирургических процедур, в том числе по восстановлению зрения. Лазерный луч способен за незначительный промежуток времени произвести коррекцию глазного хрусталика.

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах, так как лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии. Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число разнообразных приборов и устройств от простого радиоприёмника до сверхсовременных компьютеров.Одной из важных областей применения лазеров в промышленности можно считать использование их в различных контрольно-измерительных приборах

Типы полупроводниковых лазеров.

Лазер с двойной гетероструктурой

В конструкции данного устройства предусмотрен слой вещества с узкой зоной запрета. Он находится между материалами, у которых эта зона значительно шире. Как правило, для изготовления таких лазеров используют арсениды галия и алюминия-галия. Такие соединения называют гетероструктурами.

Преимуществом этого полупроводникового лазера является то, что активная область (область электронов и дырок) находится в среднем слое. Из этого следует, что усилие создается намного большим количеством пар электронов и дырок. В области с малым усилием, этих пар практически не остается. В д ополнение к этому, свет отражается от гетеропереходов. Таким образом, излучение полностью находится в области наиболее эффективного усилия. Рис1. – Лазер с двойной гетероструктурой [8]

Лазер с квантовыми ямами

К огда средний слой диода выполнен более тонким, он начинает работать как квантовая яма. Следовательно, электронная энергия в таком случае квантуется вертикально. Разница между количеством энергии квантовых ям используется для формирования излучения, вместо барьера. Это весьма эффективно с точки зрения управления волной луча, которая прямо зависит от толщины среднего слоя. Этот вид лазера намного продуктивнее, нежели однослойный аналог, так как в нем плотность электронов и дырок распределяется более равномерно. Рис. 1 – Строение полупроводникового

лазера с квантовыми ямами. [6]

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием

Основная особенность тонкослойного лазера состоит в том, что он не способен к эффективному удержанию светового луча. Чтобы решить эту проблему, с обеих сторон кристалла прикладывают пару дополнительных слоев, обладающих более низким преломлением, нежели центральные слои. Такая структура напоминает световвод. Она гораздо эффективнее у держивает луч и называется гетероструктурой с отдельным удержанием. Полупроводниковый лазер на гетероструктуре массово производился в 2000 годах.

Рис. 3 – Схема гетероструктурного лазера с раздельным удержанием [9]

Лазеры с обратной связью

Т акая конструкция преимущественно используется для волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать волну, на р-n переходе наносят поперечную насечку, в результате чего получается дифракционная решетка. Из-за этого, обратно в резонатор возвращается лишь одна длина волны, которая в нем усиливается. У полупроводниковых лазеров с обратной связью волна имеет постоянную длину, которая определяется шагом той самой насечки. Под действием температуры, возможно изменение насечки. Принцип работы полупроводниковых лазеров этой модели лежит в основе телекоммуникационных оптических систем.

Рис. 4 – схема полупроводникового лазера с обратной связью. HR — зеркало с большим коэффициентом отражения; AR — просветляющее покрытие. [7]

Полупроводниковые лазеры используют в таких областях:

Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.

Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.

Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.

Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.

Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.

Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.

Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.

Производство систем зажигания и систем ПВО.

Литература:

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов. Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу.

Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Появление такого электронного компонента стало революцией в конструировании электрических устройств разной сложности. Луч, образованные диодами высокой мощности, используется в медицине при выполнении всяческих хирургических процедур, в том числе по восстановлению зрения. Лазерный луч способен за незначительный промежуток времени произвести коррекцию глазного хрусталика.

В быту и промышленности, применение полупроводникового лазера в основном связано с измерительными приборами. Мощность таких устройств может варьироваться в весьма широком диапазоне. Так, мощности в 8 Вт достаточно для сборки портативного уровнемера в бытовых условиях. При этом прибор будет надежно работать, и создавать очень длинный лазерный луч. Кстати говоря, попадание такого луча в глаза опасно, так как на малом расстоянии он способен повредить мягкие ткани.

В светодиодах, главным источником энергии является процесс спонтанного излучения. Его суть состоит в том, что на анод подается положительный заряд, и диод смещается в прямом направлении. При этом дырки инжектируются из области р в область n р-n перехода, а из области n в область р полупроводника. Поэтому такие устройства часто называют инжекционными полупроводниковыми лазерами. Когда дырка и электрон находятся рядом друг с другом, они рекомбинируют, выделяя фотонную энергию с определенной длиной волны и фонона.

Полупроводниковые лазеры, физика которых была рассмотрена выше, обладают n-р структурой. Они имеют невысокую эффективность, требуют большой мощности на входе и работают исключительно в режиме импульсов. Из-за быстрого перегрева они не могут работать по-другому. В этой связи сфера применения таких лазеров ограничена. На их основе были созданы устройства с более внушительными параметрами. Рассмотрим типы полупроводниковых лазеров.

Лазер с двойной гетероструктурой. В конструкции данного устройства предусмотрен слой вещества с узкой зоной запрета. Он находится между материалами, у которых эта зона значительно шире. Как правило, для изготовления таких лазеров используют арсениды галия и алюминия-галия. Такие соединения называют гетероструктурами.

Преимуществом этого полупроводникового лазера является то, что активная область (область электронов и дырок) находится в среднем слое. Из этого следует, что усилие создается намного большим количеством пар электронов и дырок. В области с малым усилием, этих пар практически не остается. В дополнение к этому, свет отражается от гетеропереходов. Таким образом, излучение полностью находится в области наиболее эффективного усилия.

Лазер с квантовыми ямами. Когда средний слой диода выполнен более тонким, он начинает работать как квантовая яма. Следовательно, электронная энергия в таком случае квантуется вертикально. Разница между количеством энергии квантовых ям используется для формирования излучения, вместо барьера. Это весьма эффективно с точки зрения управления волной луча, которая прямо зависит от толщины среднего слоя. Этот вид лазера намного продуктивнее, нежели однослойный аналог, так как в нем плотность электронов и дырок распределяется более равномерно.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием. Основная особенность тонкослойного лазера состоит в том, что он не способен к эффективному удержанию светового луча. Чтобы решить эту проблему, с обеих сторон кристалла прикладывают пару дополнительных слоев, обладающих более низким преломлением, нежели центральные слои. Такая структура напоминает световод. Она гораздо эффективнее удерживает луч и называется гетероструктурой с отдельным удержанием. Полупроводниковый лазер на гетероструктуре массово производился в 2000 годах.

Лазеры с обратной связью. Такая конструкция преимущественно используется для волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать волну, на р-n переходе наносят поперечную насечку, в результате чего получается дифракционная решетка. Из-за этого, обратно в резонатор возвращается лишь одна длина волны, которая в нем усиливается. У полупроводниковых лазеров с обратной связью волна имеет постоянную длину, которая определяется шагом той самой насечки. Под действием температуры, возможно изменение насечки. Принцип работы полупроводниковых лазеров этой модели лежит в основе телекоммуникационных оптических систем.

Мощные полупроводниковые лазеры, имеющие высокоэффективную электрическую накачку, при умеренном напряжении используют как средство подвода энергии твердотопливных лазеров. Они могут работать в широком диапазоне частот, включающем видимую, а также ближнюю и среднюю инфракрасные зоны спектра. Некоторые устройства способны менять частоту излучения. Полупроводниковый лазер, устройство которого мы сегодня узнали, может быстро модулировать и переключать оптическую мощность. Эта особенность используется в производстве передатчиков оптоволоконных линий.

Благодаря своим характеристикам, полупроводниковые лазеры на сегодняшний день являются самым важным классом квантовых генераторов.

Их используют в таких областях:

Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.

Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.

Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.

Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.

Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.

Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.

Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.

Производство систем зажигания и систем ПВО .

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021

В данной работе будет рассмотрен принцип работы, устройство, область применения и типы полупроводниковых лазеров.

Термин «лазер» появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, так широко он вошел в обиход. Появление лазеров — одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.

Лазер (1) (от англ. laser , акроним о l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation «усиление света посредством вынужденного излучения »), или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки ( световую , электрическую , тепловую , химическую и др.) в энергию когерентного , монохроматического , поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Полупроводник (2)— материал , по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками , и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения . Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниковый лазер (3) — твердотельный лазер , в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник . В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучаемые переходы не между уровнями энергии атомов , молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или около зон кристалла .

Рис.1- Лазер (оптический квантовый генератор).

Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют другой принцип работы.

Схематически процесс возникновения усиления в полупроводниках (4).

Conduction band — зона проводимости, valence band — валентная зона, pumping — накачка, light emission — излучение света.

Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро перемещаются в состояние вблизи дна зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости перемешиваются с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Количественное описание основывается на распределении Ферми-Дирака для электронов в обеих зонах.

Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители появляются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутри зонные переходы.

Основными материалами для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств) являются (5):

GaAs (арсенид галлия)

AlGaAs (арсенид галлия — алюминия)

GaP (фосфид галлия)

InGaP (фосфид галлия — индия)

GaN (нитрид галлия)

InGaAs (арсенид галлия — индия)

GaInNAs (арсенид — нитрид галлия индия)

InP (фосфид индия)

GaInP (фосфид галлия — индия)

Перечисленные полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Для трех и четырехкомпонентных проводников энергия запрещенной зоны может непрерывно существенно изменяться в некотором диапазоне. В AlGaAs = Al_xGa_1-xAs, например, повышение содержание алюминия (рост х) приводит к уширению запрещенной зоны.

Помимо вышеупомянутых неорганических полупроводников, могут также использоваться органические полупроводниковые соединения для полупроводниковых лазеров. Соответствующая технология еще молодая, но она бурно развивается, так как перспективы дешевого и массового производства таких лазеров весьма привлекательны. До сих пор были продемонстрированы органические полупроводниковые лазеры только с оптической накачкой, так как по разным причинам трудно достичь высокой эффективности за счет электрической накачки.

Рис.4- Процесс возникновения усиления в полупроводниках.

Рис.5- Основные материалы для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств).

Существует большое разнообразие различных полупроводниковых лазеров, охватывающих широкие области параметров и используемые в различных областях применений. Можно создать полупроводниковый лазер с практически любой длиной волны. Он будет находиться в диапазоне от ближнего УФ излучения до ближнего ИК излучения. Так же существует стандартный набор длин волн, лазеров, оптимизированный для различных применений.

*УФ- ультрафиолетовое излучение.

*ИК- инфракрасное излучение.

Т ипы полупроводниковых лазеров:

• Небольшие лазерные диоды порядка нескольких милливатт (или до 0,5 Вт) выходной мощности в пучке, с высоким качеством пучка. Они используются в лазерных указках, проигрывателях компакт-дисков и для оптической волоконной связи. (Рис.6→)

• Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором (ECDL — External cavity diode lasers) содержат лазерный диод в качестве активной среды в более длинном лазерном резонаторе. Зачастую они могут быть перестраиваемыми по длине волны, и обладать узкой линией излучения.

• В монолитных лазерных диодах, а также в лазерах ECDL (с внешним резонатором) малой мощности также может быть осуществлена синхронизация мод для получения сверхкоротких импульсов.

• Большое количество лазерных диодов способны генерировать до нескольких ватт выходной мощности, но качество пучка уже будет значительно хуже.

• Мощные диоды объединяют в массив с большой площадью излучающей области. Они могут генерировать десятки ватт излучения, но с плохим качеством пучка.

• Диодные линейки, содержащие множество диодов, объединяют один массив и используют их для получения чрезвычайно высоких степеней мощности порядка сотен или тысяч ватт. (Рис.7→)

• Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs), излучают в направлении, перпендикулярном пластине, обеспечивая несколько милливатт мощности с высоким качеством пучка.

• Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs) с оптической накачкой и внешним резонатором (VECSELs) способны генерировать несколько ватт выходной мощности с отличным качеством пучка, даже в режиме синхронизации мод.

• Квантово-каскадные лазеры работают на внутризонных переходов (а не межзонных переходах) и, как правило, излучают в средней инфракрасной области, иногда терагерцового диапазона. Они используются в спектроскопии для газового анализа, для подсветки в среднем ИК диапазоне и т.д.

Д ля получения лазерного излучения с узкой спектральной линией используются лазеры с встроенным Брэгговским отражателем (DBR и DFB лазеры), или с внешним резонатором. (Рис.8→)

Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г. Полупроводниковые лазеры. Москва: «Наука», 1976. – 416 с.

Грибковский В. П. Полупроводниковые лазеры: Учеб. пособие по спец. «Радиофизика и электроника». — Мн.: Университетское, 1988.— 304 с.

Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. — Москва: Мир, 1980. -540 с.

Материалы квантовой электроники : Учебное пособие для втузов / Н. Г. Рябцев ; Ред. Е. А. Верный . – М. : Советское радио, 1972 . – 384 с.

Интегральная оптика и её элементы

Появление и развитие в начале шестидесятых годов надёжных источников лазерного излучения привело к повышению интереса учёных к области обработки и передачи информации с использованием оптических способов, хотя их использование и связано с определёнными сложностями — потребностью в применении наборов призм, модуляторов, детекторов, зеркал и других элементов оптических трактов.

Подобные устройства обычно монтируют в рамках лабораторий, и они занимают на специальной оптической скамье существенное расстояние между компонентами, которое может измеряться метрами.

Но использование такого подхода вне рамок лабораторий затруднено, так как с одной стороны, он является довольно громоздким, а с другой — флуктуации атмосферы и её загрязнения вносят свои коррективы.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

В рамках работы над озвученными проблемами, в конце 60-х годов появились первые оптические интегральные схемы, в которых основная идея заключалась в том, чтобы заменить провода и радиотракты на оптические каналы, объединённые в рамках миниатюрной схемы.

И уже в 70-х годах эта область получила новый скачок развития в связи с появлением надёжных полупроводниковых лазеров непрерывного действия, оптических волокон с малыми потерями при передаче света, разработкой методов фотолитографии, позволяющих получать субмикронные оптические каналы.

Преимущества оптических линий связи

Как уже было сказано выше, в прошлом наиболее распространённым способом соединений была проводная либо радиосвязь. По сравнению с этими способами, оптическая имеет ряд преимуществ, перечисленных ниже:

• невосприимчивость к электромагнитным помехам;
• невозможность короткого замыкания или «замыкания на землю»;
• может безопасно соседствовать с горючими материалами;
• защищённость от радиоперехвата или подслушивания (оптический сигнал проходит без возбуждения электромагнитных полей, а любое вмешательство в оптический канал связи маловероятно, так как сразу будет замечено);
• ничтожные потери при передаче сигнала. Также, в отличие от других способов передачи, потери в оптическом волокне слабо зависят от частоты, в то время как у альтернативных способов резко возрастают при её увеличении. Например, при использовании двухпроводного кабеля потери существенно возрастают при увеличении частоты модуляции более 100 кГц. В то время как в оптических волокнах величина потерь является несущественной вплоть до 10 ГГц, а максимальная частота передачи ограничивается не затуханием, а явлением дисперсии;
• большая пропускная способность;
• компактные размеры, малый вес, дешевизна производства.

• большая ширина полосы пропускания;
• существенные возможности разделения по частоте (по длине волны), если используется мультиплексирование;
• малые потери при прохождении сигнала, малый вес, небольшая потребляемая мощность;
• высокая надёжность, невосприимчивость к вибрациям.

Элементы интегральной оптики

Система интегральной оптики подразумевает согласованное функционирование целого ряда микроустройств, каждое из которых предназначено для определённой роли. Вкратце их можно показать следующим образом:

Картинка: А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров – «Материалы и технологии интегральной оптики»

Изучение принципа их работы является весьма любопытным для неискушённого исследователя, поэтому рассмотрим вкратце некоторые из них.

Как можно было видеть выше, основные элементы интегральной оптики разделены на активные и пассивные. Такое разделение подразумевает, что активные элементы функционируют при приложении определённого управляющего напряжения, пропускании тока или оптического управляющего сигнала.

В отличие от них, пассивные элементы подразумевают фиксированное преобразование информационного оптического сигнала, и их работа не зависит от подачи управляющего сигнала.

▍ Электрооптические волноводные переключатели и модуляторы

Одним из самых важных элементов интегральной оптической системы являются оптические волноводные переключатели и модуляторы света, чьи характеристики и назначение во многом совпадают. В общем случае считается, что устройство является модулятором, если в ходе выполнения основной функции оно вводит информацию в несущую волну света, изменяя во времени одну из его характеристик, а переключатель изменяет пространственное положение света, другими словами, включает и выключает его.

Одним из распространённых видов переключателей являются эксплуатирующие электрооптический эффект, который заключается в том, что при приложении электрического поля изменяются характеристики преломления вещества, к которому приложено это поле, при этом эффект характеризуется как анизотропный и имеет как линейную (так называемый, эффект Поккельса), так и нелинейную (эффект Керра) компоненты.

При этом линейный электрооптический эффект проявляется лишь у кристаллов, не обладающих инверсной симметрией, в то время как нелинейный же эффект у большинства материалов выражен слабо. Кроме того, нелинейная зависимость от электрического поля вводит искажения в модулированный сигнал, что ограничивает применение такого подхода в интегральной оптике.

Основными характеристиками переключателей и модуляторов (в целом, вне зависимости от вида) можно назвать следующие:

• Глубина модуляции: в какой степени приложенный электрический сигнал влияет на уменьшение интенсивности проходящего света.
• Полоса пропускания: диапазон частот, в рамках которых может работать устройство. При этом обычно подразумевается, что полоса пропускания представляет собой разницу между максимальной и минимальной возможной частотой, в которых глубина модуляции уменьшается на 50% от её максимальной величины.
• Вносимые потери: во время работы модуляторы и переключатели вызывают потери оптического сигнала, которые обычно измеряются в децибелах. В общем случае можно сказать, что для компенсации потерь требуется использовать источники света со всё большей мощностью, что в конечном итоге ведёт к большим затратам электроэнергии.
• Потребляемая мощность: в общем случае для использования в качестве модуляторов электрическая мощность должна потребляться только в момент смены состояний, практически не требоваться для поддержания заданного состояния и увеличиваться с увеличением частоты модуляции.
• Изоляция: при проектировании оптических систем следует большое внимание уделять изоляции входов и выходов. Например, в модуляторе величина изоляции между входом и выходом является максимальной глубиной модуляции.

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

В его основе лежит плоский волновод, и устройство в целом может работать как фазовый, так и амплитудный модулятор (изменяющий интенсивность).

Для управления модулятором подаётся напряжение обратной полярности на диод на барьере Шоттки, в результате чего волновод превращается в часть обеднённого слоя этого диода, а электрическое поле приводит к изменению фазы световой волны, которая проходит по волноводу, и это изменение пропорционально приложенной величине напряжения.

Кроме одноволноводного, существуют ещё и многоволноводные оптические модуляторы. Их принцип построен на том, что если несколько волноводов расположены друг рядом с другом и синхронизированы, то их оптическая энергия может переходить от одного волновода к другому (подобный принцип ещё используется в ответвителях). В нашем же случае, при добавлении электродов такое устройство превращается в модулятор:

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

▍ Акустооптические модуляторы

Кроме модуляторов на основе электрооптического эффекта, существуют ещё и эксплуатирующие акустооптический эффект, суть которого заключается в изменении показателя преломления во время прохождения упругих акустических волн по материалу, вызывающих механические напряжения в нём. Сама природа акустических волн подразумевает, что изменение показателя преломления происходит с некоторым периодом. Ниже показаны два типа модуляторов — Брэгга и Рамана-Ната, различие между которыми заключается только во времени взаимодействия между акустическими и оптическими волнами.

В кристаллических телах акустооптический эффект обладает ярко выраженной зависимостью от ориентации кристалла и довольно слаб даже при оптимальном подборе ориентации и материала и, например, может составлять даже при приложении акустического излучения мощностью 100 . Несмотря на столь малое воздействие на световой пучок, оно может накапливаться, особенно при согласовании фаз (здесь, видимо, подразумевается, при «согласовании фаз модуляции светового пучка и звукового излучения» — прим. автора статьи), что позволяет в итоге получить значительные дифракционные эффекты.

При этом возможны реализации, использующие объёмные акустические волны, проходящие через весь объём среды, либо использующие поверхностные акустические волны, распространяющиеся в приповерхностном слое, который равен длине волны звука. Так как типовая толщина оптических волноводов составляет несколько микрометров, то способ реализации с эксплуатацией поверхностных акустических волн вполне применим для использования в большинстве интегральных оптических схем.

Вне зависимости от конкретной реализации (поверхностных или объёмных волн), существует два типа модуляторов. Первый — Рамана-Ната, где оптический пучок сталкивается с акустическим пучком перпендикулярно, ширина акустического пучка при этом относительно мала, а оптический пучок испытывает лишь простую дифракцию на фазовой решётке:

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

Во втором случае, если акустический пучок относительно широк, то оптические волны испытывают многократную дифракцию, прежде чем выйдут из звукового пучка, что даёт в итоге совершенно иную дифракционную картину, так как в этом случае дифракция подобна объёмной картине, получающейся при дифракции на каждой атомной плоскости, и этот принцип используется на модуляторах типа Брэгга, где пучок направляется под определённым углом к решётчатой структуре (образующейся при проходе звуковых волн через материал):

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

Сравнивая модуляторы двух типов, можно сказать, что модуляторы Рамана-Ната обладают меньшей глубиной модуляции, если сравнивать их с модуляторами типа Брэгга. Также использование модуляторов Рамана-Ната несколько ограничено, так как они на выходе создают свет, дифрагированный на большое количество порядков, располагающихся под разными углами. Поэтому их нельзя использовать в качестве оптических переключателей, и они используются в схемах сравнительно редко. В противовес им, модуляторы типа Брэгга используются условно широко, и применяются в качестве модуляторов интенсивности пучков, дефлекторов, оптических переключателей.

Интересным является применение модуляторов Брэгга в качестве дефлекторов. Здесь подразумевается, что если частоту подводимого акустического излучения поддерживать постоянно, то оптический пучок может быть отклонён на некоторый угол (существуют специальные формулы для расчёта этого угла). И наоборот, если частота подводимого акустического излучения изменяется, также будет изменяться и угол отклонения оптического пучка. На основе этого принципа строятся не только микроскопические, но и макро-сканирующие устройства, имеющие в своей основе модулятор Брэгга. Автору этой статьи приходилось видеть лазерный сканер, построенный как раз на основе использования акустооптического модулятора: лазерный луч отклоняется по XY, проходя сквозь кристаллы, к которым прикладывается соответствующая акустическая мощность, и если обычно для подобных целей используются микрозеркальные DLP-чипы, то в этом случае лазерный сканер не содержит каких-либо движущихся частей, и луч отклоняется исключительно звуковыми колебаниями в кристаллах:

▍ Фокусирующие элементы

Неотъемлемой частью интегральной оптики являются устройства преобразования световых пучков, одним из которых выступают фокусирующие элементы.

Отличие интегральной от обычной объёмной оптики заключается в том, что интегральная оптика не ограничена только стандартными методами, известными в полноразмерной оптике, например, для плоских оптических волноводов известна зависимость эффективного показателя преломления от поперечных размеров волновода, что позволяет реализовывать преобразователи оптических пучков, которые не имеют аналогов в объёмной оптике — тонкоплёночные фокусирующие элементы используются для изменения фронта светового пучка, а также пространственной фильтрации, фурье-анализа и т. д.

Линзы Лунеберга

Первые варианты реализаций волноводных линз копировали принципы объёмной оптики и представляли собой утолщения волноводного слоя, обладая всем стандартным набором оптических аберраций, характерных для полноразмерных аналогов, и ситуация существенно улучшилась только после появления линз Лунеберга, имеющих переменный профиль толщины, который обеспечивает непрерывное изменение показателя преломления.

Кроме линз Лунеберга, известны также геодезические и дифракционные линзы.

Линзы Лунеберга создаются по одному из трёх вариантов, показанных ниже, где:

• а — линза и тонкоплёночный волновод создаются из одного и того же материала;
• б, в — создаются из различных материалов.

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

В подобных линзах градиент показателя преломления подбирается таким образом, чтобы пучок света фокусировался на противоположной стороне линзы, однако на практике, удобнее использовать, так называемые «обобщённые лунеберговские линзы», которые обеспечивают фокусировку падающего пучка вне кругового контура линзы.

Однако существует один нюанс, который ограничивает применение подобного типа линз: требуется, чтобы показатель преломления в контуре линзы существенно превосходил показатель преломления подложки, чего довольно трудно достигнуть, при использовании типичных волноводных структур на основе ниобата лития, имеющих высокие показатели преломления. Это уменьшает возможности линз по фокусированию и ограничивает их применение реализацией на стеклянных подложках, что, соответственно, сужает варианты их применений.

Геодезические линзы

Подобные линзы могут реализовываться на любых подложках и хорошо фокусируют разные типы излучений. Они представляют собой, в общем случае, участок волновода, находящийся в углублении или на возвышении и представляющий собой поверхность вращения:

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

Дифракционные линзы

Подобного типа линзы изготавливаются с помощью применения стандартной для микроэлектроники литографии, что обеспечивает их дешевизну, хорошую повторяемость и возможность массового производства.

В качестве подобного типа линз можно перечислить аналоговые линзы Френеля, решётчатые линзы с переменным шагом (с прямолинейными или изогнутыми штрихами), линзы Брэгга с переменной шириной и наклоном полосок.

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

В целом можно сказать, что потребность в достаточно высоких показателях коэффициента преломления ограничивает возможности создания эффективных и компактных линз при использовании совместно с волноводами из ниобата лития и полупроводниковых соединений.

▍ Волноводы

Как уже было сказано ранее, в оптических интегральных схемах используются оптические каналы передачи данных. В них соединительным элементом выступают так называемые «волноводы», представляющие собой, в общем случае, протяжённый в пространстве стержень прямоугольного или условно круглого сечения, имеющий поперечный размер, сравнимый с длиной передаваемой волны, а показатель преломления материала сердцевины волновода превосходит показатель преломления окружающей среды.

Картинка: А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики»

В приведённой выше схеме регулярные волноводы подразумевают под собой тип, который имеет равномерную границу между сердцевиной волновода и окружающей средой, а нерегулярные — переменные геометрические размеры или показатели преломления, изменяющиеся в пространстве.

Материал, из которого изготовлен оптический волновод, может обладать свойствами усиления — подобного типа волноводы используются в волоконных лазерах и усилителях.

Ниже приведены типы основных поперечных сечений оптических волноводов (ОВ):

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

Как можно видеть по схеме в самом начале этого подраздела, среди типов волноводов имеется так называемый фотоннокристаллический. Это новый тип волновода, появившийся относительно недавно. В его основе лежит открытие фотонных кристаллов, представляющих собой периодические структуры из диэлектрика, с отличающимися показателями преломления:

Картинка: А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров – «Материалы и технологии интегральной оптики»

На рисунке выше показаны самые простые варианты фотонных кристаллов:

• а — чередующие диэлектрические слои с высокими и низкими показателями преломления;
• б — представляет собой диэлектрическую пластину с периодически расположенными отверстиями (пустыми или заполненными диэлектриком, с иным показателем преломления);
• в — диэлектрические шары (называются также «искусственным опалом», так как его свойства очень близки к этому камню)

В последние годы, дополняя стандартные методы создания волноводов (ионного обмена, фотолитографии и т. д.), появился интересный метод лазерной записи волноводов в стекле, суть которого заключается в необратимом изменении показателя преломления стекла, в результате воздействия на него лазерного излучения. Причём интересным здесь является то, что фокус лазерного луча может находиться как на поверхности стекла, так и внутри него, результатом чего становится получение внедрённых в поверхность волноводов или погружённых внутрь стекла.

Для подобной записи используются специальные фоточувствительные и фоторефрактивные стёкла, а сама запись осуществляется лазерами непрерывного или импульсного действия. При использовании же фемтосекундных лазеров, волноводы могут быть созданы и с использованием других стёкол — например, кварцевых, фторидных, германатных.

Этот метод отличается технологической простотой и отсутствием потребности в сложных фотолитографических процессах и даёт возможность создавать не только волноводы, но и другие элементы оптических интегральных систем: дифракционные решётки, голограммы, микролинзы и т. д.

Подытоживая, можно сказать, что тема оптических интегральных систем весьма обширна, и мы только слегка затронули её, не рассмотрев ещё источники света, призмы, разветвители, способы производства и множество других сопутствующих вопросов. Тем не менее, подобный обзор позволит получить некоторое представление об этой интересной сфере.

Список использованной литературы

1. А. С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации».
2. Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология».
3. А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики».
4. О. Ермаков — «Прикладная оптоэлектроника».