Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
.130 S) e] _
Рис. 5.11. Методы согласования пол у про во д н и к оя ы х лазеров с волноводами в монолитных ОИС:
а — соединение лазера с волноводом встык; б — связь через суживающийся край; в —туннельная связь; г — возбуждение мод волновода за счет исчезающих полей; д — ступенчатый элемент связи; е — связь волновода с лазером с кольцевым резонатором (вид сверху); / — активная область лазера; 2 — слой, разделяющий активную область и волновод; 3 — волновод; 4 — прилежащие к активной области слон с меньшим, чем в ней, показателем преломления; 5 — подложка; 6 — слой SiO2 [70]
В структуре, показанной на рис. 5.11,6, связь лазера с OB в ОИС осуществляется через суживающийся край волновода. Эффективность такого элемента связи может приближаться к 100%. Особенностью такой ОИС является то, что активная область лазера связана с пассивным волноводом внутри резонатора. Эффективность связи в этой схеме составляла свыше 50% при типичных значениях внешней квантовой эффективности лазера 16...18% [70]. Недостатком элементов связи с суживающимся краем OB является необходимость тщательного контроля условий роста структуры или выращивания их двумя стадиями с промежуточным травлением.
Более простой с точки зрения технологии изготовления согласующих элементов является распределенная связь активного волновода лазера и внешнего пассивного OB, аналогичная связи OB в направленных ответвптелях. Конструкция подобного элемента связи (так называемый сдвоенный волновод) показана на рис. 5.11,е. Волновод 1 является активной областью лазера. Ограничивающие его плоскости служат зеркалами резонатора. На них для устранения нежелательных потерь нанесены отражающие по-
5* .131 крытия. Часть генерируемой в активной области оптической мощности туннелирует из волновода 1 в волновод 3 через разделяющий их слой 2 с меньшим, чем в OB 1 и 3, показателем преломления.
Полная эффективность связи лазера с пассивным OB, находящимся за пределами резонатора, определяется интегралом перекрытия полей сдвоенного волновода и одиночного волновода (за зеркалом), вычисленным в сечении z = z0, и теоретически может достигать 100%. Реально эффективность связи ограничивается отклонением от условия точного фазового согласования связанных волн и их поглощением в OB. В схеме на рис. 5.11,8. в пассивном OB возбуждаются две встречные волны. Выбором зазора между связанными OB и угла наклона их плоскостей друг к другу можно обеспечить однонаправленную связь волн, когда свыше 90% мощности распространяется в одном направлении.
Требования «близости» значений постоянных распространения для обеспечения эффективной связи накладывает ограничения на выбор размеров и состава слоев волноводной структуры ОИС, что может оказаться нежелательным. Поэтому возбуждение мод пассивного волновода может осуществляться также затухающим полем лазера без фазового согласования волн. Активная область лазера с зеркалами, полученными травлением, в этом случае непосредственно примыкает к пассивному OB (рис. 5.11,г). Максимальная эффективность ввода, определенная как отношение световой мощности, выходящей из OB, к суммарной мощности, выходящей из OB и через зеркало лазера, на эксперименте составляла свыше 25%. В этой схеме имеется возможность контролировать уровень связи: частичное стравливание волновода увеличивает коэффициент отражения зеркал и уменьшает долю излучения, входящего в OB.
Если скачок показателя преломления между активной областью и лежащим под ней промежуточным слоем мал, а сама активная область достаточно тонкая, то поле не удерживается в ней и распространяется в OB, образованном активной областью и этим слоем. Такая ситуация имеет место в лазерах с раздельным ограничением поля и носителей. В этом случае условия согласования такие же, как при торцевом соединении волноводных структур. Подобная конфигурация применялась в ОИС, состоящей из лазера, OB и фотоприемника [70].
Наряду с лазерами с плоскими резонаторами (типа Фабри — Перо) в ОИС могут использоваться лазеры с резонаторами других типов. Исключительный интерес для применения в монолитных ОИС представляют лазеры с РОС и РБЗ. Конструкции POC-и РБЗ-лазеров совместимы с планарной технологией, они могут работать на одной продольной моде при значительных превышениях порога генерации, интенсивность их излучения более стабильна во времени, чем в лазерах с неселективными резонаторами. РОС-лазер соединяется с пассивным OB встык, эффективность связи в такой схеме близка к 100%. Разработана ОИС, со-
.132 стоящая из шести РОС-лазеров, у которых длины волн генерации отстоят друг от друга на 2 нм. Излучение всех лазеров вводится в общий волновод через ступенчатые элементы связи (рис. 5.11,d), представляющие собой промежуточный вариант между соединением встык и соединением через сужающийся край OB. Эффективность связи лазера с OB достигает 30% [70].
В РБЗ-лазерах периодическая структура находится в пассивном волноводе. Связь между активной областью и волноводом с периодической структурой осуществляется встык, через суживающийся край или с помощью туннельной распределенной связи. Вопросы, связанные с выбором оптимальных параметров периодических структур РБЗ-лазеров для обеспечения необходимого коэффициента связи с OB, рассматриваются в ряде работ (см., например, [41, 62—64]).
