Интегральная оптика

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА, раздел оптики, в котором разрабатываются принципы и методы объединения (интеграции) на единой подложке различных оптических и электронных элементов для создания оптических и оптоэлектронных устройств. Возникла во 2-й половине 20 века.

Основой интегральных оптических устройств являются диэлектрические 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 значительной концентрации мощности света внутри волновода, что существенно облегчает протекание нелинейных преобразований света в среде. Это и было первоначально использовано в устройствах интегральной оптики. По мере увеличения числа материалов, применяемых для создания волноводных устройств, увеличивался и ряд всевозможных элементов интегральной оптики, позволяющих реализовывать оптические схемы различного назначения. Элементы интегральной оптики используются в оконечных устройствах оптических линий связи (в частности, линий связи со спектральным уплотнением) и в сенсорных устройствах.

Типичный элемент интегральной оптики - 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. Основные параметры, характеризующие мультиплексор (демультиплексор): число объединяемых (разделяемых) каналов, рабочий диапазон длин волн, потери света на проход, перекрёстные помехи, а также равномерность потерь по спектру. Оптическая схема мультиплексора (демультиплексора) (рис.) представляет собой набор одномодовых канальных волноводов 1 различной 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 электрооптическим модулятором света, что значительно повышает отношение сигнал/шум и увеличивает точность измерений. Интегрально-оптические сенсоры используются в микроэлектромеханических системах для регистрации и управления тонкими механическими изменениями в этих системах, например в гироскопах.

Важная задача интегральной оптики - миниатюризация интегрально-оптических устройств и схем, в особенности используемых в линиях оптической связи. Один из первых разработчиков мультиплексоров нидерландский учёный М. К. Смит создал демультиплексор размерами около 300 х 200 мкм на базе полупроводникового материала (соединение индий - фосфор), предназначенный для объединения или разделения 4 частотных каналов.

С появлением фотонных кристаллов в интегральной оптике 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 внутреннего 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 около 20 нм. Периодичность структуры обеспечивается точной трансляцией ионного пучка, позволяющей реализовать желаемую геометрию элементарной ячейки структуры. На основе фотонно-кристаллических волноводов созданы различные интегрально-оптические устройства, характеризующиеся малыми размерами (50 х 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 оптических интегральных схем.

Лит.: Гончаров А. А., Светиков В. В., Свидзинский К. К., Сычугов В. А., Усиевич Б. А. Интегрально-оптический аналог эшелона Майкельсона, его основные свойства и приложения // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. № 8.