Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
3. Малые потери при передаче (до 0,5 дБ/км).
4. Большая пропускная способность (до 1011 бит/с).
Преимущества волоконно-оптических систем передачи и обработки сигналов не исключают недостатков дискретных оптических элементов, требующих оптических скамей, юстировки отдельных элементов, хорошей защищенности от механических воздействий и т.д. Недостатки дискретных оптических систем затрудняют их применение именно там (авиация, космос, флот), где преимущества оптических систем проявляются особенно ярко. Естественный выход из этого положения - интеграция оптических элементов в единый блок при жесткой связи этого блока с оптическим волокном. Возможность создания таких интегрально-оптических схем (ОИС) возникла в 60-х годах с появлением оптических волноводов, реализуемых на оптически активных средах, прежде всего на кристаллах, обладающих пьезоэлектрическими, электро оптическими и акустооптическими свойствами [3].
ОИС выполняются не из отдельных оптических узлов, а как объединенные структуры в едином технологическом процессе. Свет в таких схемах распространяется в приповерхностных слоях кристалла в волноводном режиме, и управление светом происходит в результате воздействия электрических или упругих полей, создаваемых структурами электродов, нанесенных на поверхность кристалла. ОИС являются интегральными в том смысле, что на одной кристаллической подложке может быть сформировано несколько функциональных эле-
13 - 368 369
ментов, а волноводный слой и структура управляющих элементов создаются при технологических операциях, которые принципиально не отличаются от операций, используемых при изготовлении полупроводниковых интегральных схем. Однако интегральная оптика выдвигает новые, более высокие требования к технологии получения интегральных схем. Разработка технологии ОИС еще более обостряет материаловедческие проблемы, возникающие из-за отсутствия надежных сведений о структуре поверхностных слоев кристалла, диффузионных характеристиках, особенностях влияния ионной бомбардировки на многокомпонентные подложки и т.д. Широкое применение ОИС во многом сдерживается из-за невоспроизводимосги технологии их получения.
Наиболее часто для управления оптическим лучом в ОИС применяются электрооптический и акусгооптический эффекты. Поэтому кристаллы, которые могут находить применение в качестве подложек ОИС, это те же кристаллы, которые используются при создании объемных акусгоогггических и электрооптических элементов. Кроме того, при создании акустооптических устройств в интегральном исполнении важную роль играет возможность возбуждения в подложке поверхностных акустических волн, так как именно эти волны используются в ОИС для реализации АО взаимодействия в приповерхностных волноводных слоях. В последнее время все чаще звучат требования о необходимости, кроме управления светом в ОИС, еще и генерации света в тех же поверхностных слоях. Генерация света в ОИС может быть получена использованием для ОИС активированных кристаллов для ламповой накачки либо кристаллов-полупроводников с созданием в поверхностном слое р - п перехода и использованием электрической накачки.
Таким образом, кристалл, используемый в качестве подложки для ОИС, должен обладать комплексом свойств, обеспечивающих его работоспособность. Такими кристаллами пока можно считать среди ионных кристаллов ниобат лития, а среди полупроводников - арсе-нид галлия, причем по объему практического применения и числу публикаций, посвященных исследованию свойств, технологии и применению, первенство следует отдать ниобату лития.
Основным элементом ОИС является приповерхностный слой, обеспечивающий распространение оптических волн в волноводном режиме, т.е. локализацию оптической энергии в поверхностном слое. Другие элементы технологии (создание р - п перехода в GaAs, создание встречно-штыревых пьезопреобразователей и др.) достаточно подробно описаны в специальной литературе. Поэтому здесь в основном будут рассматриваться свойства и технология получения волноводных слоев в кристаллах ниобата лития. Для того чтобы ввести характеристики волноводных слоев и связать их с технологическими режимами получения, следует рассмотреть основные свойства волновода [4, 5].
370
Глава 17
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ,
ИХ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
17.1. УСЛОВИЯ «ОТСЕЧКИ»
Основные характеристики оптических волноводов определяются условиями распространения света в слоистых средах. Для выяснения этих условий рассмотрим распространение оптической ТЕ-моды в трехслойной среде, слои которой имеют показатели преломления ль «2 и «з (рис. 17.1). В системе координат, показанной на этом рисунке, ТЕ-волна имеет компоненты вектора напряженности электрического поля [О, Еу, 0]. Поле световой волны в /-м слое определяется решением уравнения Максвелла
(17Л)
в виде бегущей волны
Еу = %у(х) exp[/(cof - pz)], (17.2)
где
qy(x) = оцехрО'ух) + а2ехр(-г'ух). (17.3)
После подстановки (17.2) и (17.3) в (17.1) получаем
у2 +Р2 =~тй)2 (17-4)
с
где п,к0 ~ волновое число для волны, распространяющейся в i-м слое, а у и р - проекции волнового числа на направления х и z соответственно, т.е. у и р - числа распространения волн в направлениях хи z.
