Некоторые аспекты интегральной фотоники

Термин «интегральная фотоника», относится к производству и объединению нескольких фотонных изделий на общей планарной подложке. Эти изделия включают делители пучка излучения, решетки, соединители, поляризаторы, интерферометры, источники и детекторы. Они могут использоваться в качестве элементарных звеньев для создания более сложные приборов, изготовленных по планарной технологии; такие изделия находят все большее применение в оптических системах связи, кабельном телевидении, различных датчиках и преобразователях. Фактически, интегральная фотоника представляет собой объединение нескольких фотонных дисциплин с волноводной техникой. Оптический волновод является основным элементом интегральных фотонных приборов, выполняющий функции ввода, связи, переключения, разбиения, мультиплексирования и демультиплексирования оптических сигналов

Появление новых фотонных приборов, соединивших оптику и электронику, дало начало другим разделам фотоники. Эти новые направления включают электрооптику, оптоэлектронику, квантовую оптику, квантовую электронику и нелинейную оптику. Электрооптика имеет дело с изучением оптических приборов, в которых электрическое взаимодействие обеспечивает управление потоком света (электрооптический модулятор или определенный тип лазеров). Акустооптика - наука, связанная с оптическими приборами, управляемыми акустическими волнами (управляемые пьезопреобразователи). Оптоэлектроникаисследует системы, в которых управление светом выполняется, главным образом, электронными методами; в большинстве случаев эти системы являются полупроводниковыми (светодиоды, полупроводниковые лазеры, детекторы на основе полупроводника – фотодиоды). Квантовая электроника используется в устройствах и системах, которые основаны на взаимодействии света и вещества (усилитель оптического диапазона и волнового смешивания - wave-mixing). Квантовая природа света и его когерентные свойства изучаются в квантовой оптике, а нелинейная реакция оптической среды изучается в науке, называемой нелинейной оптикой.

На базе вышеперечисленных направлений получили развитие следующие прикладные дисциплины: оптическая связь, системы формирования изображения и системы индикации, оптические компьютеры, оптическое датчики и т.д. В частности волноводная технология используется для описания устройств и систем, широко используемых в оптических системах связи, оптических компьютерах, оптических системах обработки и оптических датчиках.

Эти новые прикладные научные направления входят в состав дисциплины, называемой интегральная оптика, или более точно, интегральная фотоника. Интегральная фотоника рассматривается как объединение волноводной техники (волноводной оптики) с другими дисциплинами, такими как электрооптика, акустооптика, нелинейная оптика и оптоэлектроника

Основной идеей интегральной фотоники является использование фотонов вместо электронов при создании интегрально-оптических устройств. Термин «интегральная оптика», подчеркивает подобие между планарной оптической техникой и известными интегральными микросхемами. Решение, состояло в получении интегрально-оптические устройства путем технологического процесса, обеспечивающего интеграцию на единой подложке различных пассивных и активных элементов, которые объединяются и связываются с помощью коротких оптических линий передачи, называемых волноводами. Очевидно, что интегрирование множества оптических функций в едином фотонном приборе является ключевой операцией, приводящей к снижению затрат на создание оптических систем, включая оптические системы связи.

******************************************

Интегрально-оптические элементы (ИОЭ), миниатюрные оптические и оптоэлектронные устройства выполнены с применением групповой (интегральной) технологии. Они предназначены для передачи и обработки оптических сигналов. Обычно ИОЭ входят в состав интегрально-оптической схемы или устройства, реже используются как самостоятельные (дискретные) устройства. Основу ИОЭ составляет интегрально-оптический волновод - тонкий световедущий слой, создаваемый обычно либо в поверхностном слое, либо в объёме диэлектрической или полупроводниковой подложки. На рис.1 приведены основные группы ИОЭ.

Рис.1.

В пассивных ИОЭ осуществляются преобразования, в основном, пространственных характеристик оптических сигналов без увеличения их энергии и изменения спектрального состава излучения. К ним относятся устройства ввода и вывода излучения, ответвители, линзы, фильтры, преобразователи типов колебаний и др. Интегрально-оптические устройства ввода и вывода излучения обеспечивают согласование оптических потоков при введении излучения в интегрально-оптический волновод и выведении их из волновода во внешнее пространство. К этим элементам относятся фазовые дифракционные решётки, создаваемые на планарных интегрально-оптических волноводах, полосковые волноводы с суживающимся краем. Интегрально-оптические ответвители осуществляют разделение оптического потока на несколько каналов и состоят из дифракционных решёток в планарных интегрально-оптических волноводах или из канальных разветвляющихся полосковых волноводов. Интегрально-оптические линзы фокусируют оптическое излучение, распространяющееся в планарном волноводе. Наибольшее распространение получили интегрально-оптические линзы трёх типов: геодезические, представляющие собой углубления на поверхности волновода, линзы Люнеберга, выполненные в виде области с показателем преломления, большим, чем показатель преломления световедущего слоя планарного волновода и линзы Френеля, состоящие из дифракционных решеток с переменным шагом, фактически являющиеся голографическими элементами связи. Для спектральной селекции оптического излучения, распространяющегося в интегрально-оптическом волноводе, служат интегрально-оптические фильтры, состоящие из дифракционных решёток, кольцевых интерферометров и резонаторов Фабри-Перо. Интегрально-оптические преобразователи типов колебаний изменяют пространственное распределение оптического излучения. Они содержат, как правило, интегрально-оптические волноводы, выполненные на основе анизотропных материалов, либо волноводы с изменяющимся (по длине) профилем распределения показателя преломления.

В ИОЭ управления излучением (модуляторах, переключателях, дефлекторах) производится изменение амплитуды, фазы или направления распространения световых волн под действием управляющего напряжения, изменяющего показатель преломления световедущего слоя волновода за счёт электро-, акусто- или магнитооптических эффектов. Наиболее широко применяются интегрально-оптические модуляторы амплитуды светового излучения типа интерферометров Маха-Цандера, изготовляемых из электрооптических материалов. Основу таких интерферометров составляет интегрально-оптический волновод, разветвляющийся на входе устройства на два канала, которые вновь объединяются в один на выходе. В каналах при подаче управляющих сигналов изменяются фазы оптических волн, что при объединении потоков приводит (в результате интерференции) к изменению амплитуды оптической волны в выходной части волновода. В интегрально-оптических переключателях осуществляется управляемое перераспределение оптического излучения между интегрально-оптическими волноводами. В переключателях на связанных волноводах переключение канала распространения происходит в результате изменения (под действием управляющего напряжения) показателя преломления области связи между волноводами. В переключателях, использующих эффект полного внутреннего отражения, при подаче напряжения на управляющие электроды, расположенные на поверхности подложки, между электродами образуется область с уменьшенным показателем преломления. Излучение из волновода попадает на эту область, в результате полного внутреннего отражения меняет направление своего распространения и переходит в другой волновод. Действие интегральных акустооптических модуляторов (дефлекторов) основано на изменении направления распространения оптических волн в планарном интегрально-оптическом волноводе в результате дифракции света на регулярных неоднородностях, создаваемых поверхностными акустическими волнами (ПАВ). ПАВ возбуждаются радиосигналами с помощью встречно-штыревой системы электродов. В интегрально-оптических преобразователях частоты, основу которых составляют волноводы, выполненные из нелинейно-оптических материалов, используются, главным образом, эффекты смешения световых частот.

В ИОЭ преобразования энергии производится генерация, усиление и детектирование оптических сигналов. Генерация оптического излучения осуществляется в интегрально-оптическом волноводе в результате рекомбинации электронно-дырочных пар в области p-n-перехода полупроводникового излучателя (например, в лазерах), межуровневых переходов в некоторых кристаллах (например, Nd) и т.д. Оптическое усиление возникает при прохождении оптических сигналов в волноводах с инверсной населённостью энергетических уровней. Обратное преобразование энергии осуществляется в фотоприёмнике на основе интегрально-оптического фотодиода, фоторезистора или фототранзистора, обычно непосредственно сопряжённого с интегрально-оптическим волноводом.

Использование ИОЭ обеспечивает значительное (на несколько порядков) снижение мощности, необходимой для электронного управления оптическими потоками, по сравнению с обычными (объёмными) оптическими и оптоэлектронными элементами.

В настоящее время ИОЭ применяются, главным образом, в монолитных и гибридных интегрально-оптических схемах, предназначенных для передающих и приёмных модулей волоконно-оптических линий связи. На основе ИОЭ созданы также гибридные интегрально-оптические процессоры и датчики.

Вычислительная фотоника – теория и практика расчета ИОЭ и устройств на их основе с помощью ЭВМ. Она отражает общую тенденцию науки и техники, которая связана с формулированием законов природы в виде компьютерных алгоритмов и имитационного моделирования физических процессов с помощью ЭВМ. Достижения в области ИОЭ, особенно монолитных, увеличили потребность в их точном автоматизированном проектировании. В отличие от интегральных электрических схем на относительно низких частотах, расчет ИОЭ чрезвычайно труден, и по существу невозможно корректировать характеристики монолитных устройств, если они уже изготовлены. Следовательно, точные программы автоматизированного проектирования необходимы для проектирования этих устройств.

Исходная точка развития вычислительной фотоники – анализ геометрии или топологии структуры ИОЭ (определение характеристик пассивных и активных структур, включенных в схему), т.е. определение функционала ИОЭ. На рис.2 приведены два варианта процесса проектирования.

а.

б.

Рис.2.

Анализ топологии структуры ИОЭ связан с нахождением функции оптического поля, удовлетворяющей уравнениям Максвелла или производным от них; удовлетворять граничным и начальным условиям, а так же учитывать свойства среды и условия возбуждения поля в волноводной структуре. На рис.3 приведены виды и особенности методов анализа, используемых для решения задач вычислительной фотоники.

Рис.3.

Необходимо отметить, что аналитические и полуаналитические методы анализа можно рассматривать в общем виде. Это связано с тем, что чисто аналитические методы используются для решения только узкого круга простейших задач. На рис.4 приведены примеры некоторых методов анализа.

Рис.4

Существует большое количество различных программ, используемых для численного расчета и имитационного моделирования оптических волноводных структур ИОЭ. Программное обеспечение можно разделить на три основные категории, как показано на рис.5.

Рис.5.

Анализ мод включает следующие задачи: оценка постоянной распространения или эффективного индекса моды; оценка распределения электрического или магнитного поля отдельной моды (профиля моды). Анализ волноводного распространения мод включает следующие задачи: оценка изменения профиля мод в процессе распространения; оценка коэффициента связи мод; оценка ослабления или усиления моды в процессе распространения. Два предыдущих этапа автоматизированного проектирования позволяют разработать модели отдельных компонентов ИО устройств, которые необходимы при системном анализе. Системный имитационный анализ включает следующие задачи: оценка выходных характеристик отдельных компонент и устройств в целом.