Интегральная оптика
В настоящее время сложные устройства, основу которых составляют полупроводники, создаются на многослойной структуре или кремниевой пластине (или пластине из иного полупроводника). Устройства оптики, выполненные на плоской подложке и служащие для выполнения функций аналогичных функциям, выполняемым электрическими схемами, называют интегральными оптическими схемами.
На плоской подложке выполняют и иные устройства, например, оптические процессоры для выполнения преобразований Фурье. Для того чтобы подчеркнуть отличие этих устройств от интегральных оптических схем они получили название планарных оптических устройств.
Интегральная оптика рассматривает:
- интегральные оптические схемы;
- планарные оптические устройства.
Интегральные оптические схемы
Фотонной интегральной схемой (ФИС) называют многофункциональную оптическую микросхему, которая состоит из большого числа компонент, связанных между собой оптически, расположенных на единой подложке и вместе исполняющих разного вида функции обработки и передачи оптических сигналов. Иначе фотонные интегральные схемы называют оптическими интегральными схемами.
Фотонные интегральные схемы участвуют в развитии оптоволоконной связи. На их основе делают компактные и скоростные оптические системы. ФИС можно сочетать с электронными схемами с целью уменьшения размеров оптико-электронных систем и устройств. Кроме того, сложные системы с электронными и оптическими элементами дают возможность избегать преобразования оптического сигнала в электрический и наоборот.
Фотонные интегральные схемы обладают рядом достоинств:
- Они имеют большее быстродействие (широкую полосу пропускания) в сравнении со схемами из электрических компонент. Данное свойство объясняется большей частотой световой волны и меньшими размерами (меньшими емкостями) элементов фотонных интегральных схем.
- Маленькая емкость элементов оптических схем позволяет обеспечить быстродействие и ширину полосы модуляции.
- Небольшие размеры элементов схем дают возможность существенно уменьшить значения напряжений, которые применяются для генерации сильных электрических полей, создающих электрикооптические эффекты или управления пучком света в волноводе.
- При локализации нескольких устройств, реализующих несколько функций на одной подложке, фотонные интегральные схемы устойчивы и после первой настройки не требуют корректировки далее.
Объединение нескольких разно функциональных устройств вместе уменьшает себестоимость производства схем.
Фотонные интегральные схемы можно разделить на:
- монолитные,
- гибридные.
Монолитные интегральные схемы
Фотонные интегральные схемы, созданные на единой подложке, называют монолитными.
Чаще всего монолитные интегральные схемы делают на подложке из арсенида галлия. При этом устройства содержат галлий, алюминий, мышьяк, фосфор и другие компоненты, которые определяет рабочая длина волны устройства.
Так, для изготовления лазеров, испускающих излучение с длиной волны, равной $8,5∙10^{-7}$м, используют арсенид галлия, который соответствует излучению с длинами волн порядка $9,1∙10^{-7}$ м и арсенид алюминия с длинами волн порядка $6,5∙10^{-7}$ м. Подбирая концентрации этих веществ (управляя шириной запрещенной зоны), получают соединение, которое излучает световые волны задаваемой длины из диапазона от 6,$5∙10^{-7}$м до $9,1∙10^{-7}$м.
Галлий и мышьяк находятся в третьем и пятом столбиках системы Д.И. Менделеева. Структуры, которые получают, используя элементы названных столбцов, называют $AIII-BV$ соединениями. Большинство данных соединений размещают совместно на подложке из арсенида галлия.
Например, используя соединение – фосфорид галлия с индием и мышьяком ($GaInAsP$) создают лазеры, со спектром излучения порядка $1,31 \bullet10^{-6}$м. Данный диапазон важен в оптической передаче данных.
Арсенид галлия можно применять для испускания и усиления света. Приборы, созданные на основе этих соединений, носят названия активных.
Соединения $AIII-BV$ преимущественно используются для изготовления лазеров, детектеров и других устройств, которые могут быть созданы на одной подложке.
Гибридные интегральные схемы
Подложки, применяемые для изготовления гибридных схем состоят в основном из:
- стекла;
- кремния;
- ниобата лития;
- иногда полимеров.
Самый высокий электрооптический коэффициент имеет ниобат лития. Кремний часто используют как фотоприемник.
Стекло обладает низкой стоимость и широко распространено, на основе стекла, которое легируют неодимом, изготавливают лазеры.
Сплиттер
Одно из самых распространенных устройств, работающих на базе фотонной интегральной схемы, это сплиттер.
Сплиттер – оптический разветвитель, устройство, предназначенное для разделения потока энергии, которая передается по оптическому волокну. Это устройство является пассивным, так как для деления мощности не требует электрического питания.
Применение оптического разветвителя осуществило возможность передачи сигнала множеству абонентов, используя один оптоволоконный кабель. Это уменьшило затраты на строительство оптоволоконных линий передач. Что позволило интенсифицировать процесс развития пассивных оптических сетей.
Для производства разветвителей используют две основных технологии: Метод химического осаждения оптического материала на кварцевую поверхность. Технология сплава.
Соответственно получают два типа сплиттеров.
Планарный сплиттер изготавливают, осаждая несколько слоев оптического материала на кварцевую поверхность, после этого вытравливают планарный световод необходимой конфигурации и оптической плотности. При этом планарный световод локализован между пластинами из оптического материала. Он выступает в центральной роли, поскольку передает оптическую мощность. Создается своеобразная микросхема, образованная пластиной из кварца и оптических материалов. Она равномерно распределяет оптическую мощность и образует $Y$ - образный сплиттер.
