Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Волноводная оптика: выходя за рамки классической оптики

Встраивание интегральных фотонных схем в новое поколение технологий требует расширения нашего представления о световоде до более широкого охвата явлений оптики.

Волноводная оптика - это намного больше, чем классическое оптическое волокно из твердого стекла, втянутое в круглое поперечное сечение за счет поверхностного натяжения расплава. Волноводная оптика включает планарные волноводы в активных слоях диодных лазеров и множество типов планарных волноводов, которые переносят свет и служат в качестве элементов связи, кольцевых резонаторов и других компонентов в интегрированных фотонных чипах.

Корни волноводной оптики восходят к теории электромагнитного излучения Джеймса Клерка Максвелла. Лорд Рэлей разработал первую математическую теорию волноводов в 1897 году для полых металлических цилиндров, после чего последовало исследование непроводящих диэлектрических волноводов. Теория была разработана для электромагнитных волн в целом, была проверена на радиоволнах, а также было показано, что она описывает полное внутреннее отражение в оптических волокнах и световод в планарных волноводах.

Модальные эффекты

Теория волновода описывает распространение света и других электромагнитных волн, включая модели мод. Прямоугольные металлические волноводы сантиметрового масштаба хорошо работали для микроволновых сигналов примерно такого же размера. Режимы распространения не стали важными до середины 20-го века, когда радиочастоты увеличились до десятков гигагерц. В 1950-х годах разработчики 5-сантиметровых «миллиметровых волноводов» для передачи телефонного трафика не осознавали, сколько проблем вызовет многомодовая передача, когда они попытались передать сигналы с частотой 60 ГГц (0,5 мм) через длинные отрезки волновода.

Модальные эффекты появились в волоконной оптике через несколько лет после того, как они были разработаны в 1950-х годах на основе полного внутреннего отражения. Разработчики, пытающиеся улучшить разрешение для медицинских приложений за счет уменьшения сердцевины волокна до микрометрового размера, были удивлены, увидев в волокнах странные световые эффекты. Элиас Снитцер из American Optics распознал эти шаблоны как одномодовую передачу. Чарльз Као, который работал над миллиметровым волноводом, предложил одномодовую передачу через оптические волокна, чтобы избежать проблем многомодовой передачи в миллиметровом волноводе, хотя одномодовое волокно не было широко распространено до 1980-х годов.

Теория волноводов также показала, что полное внутреннее отражение не было полным. Вместо этого исчезающая волна распространялась от сердцевины с высоким коэффициентом преломления к оболочке с низким коэффициентом преломления, экспоненциально снижаясь по интенсивности. Как и моды, это также имеет важные последствия, когда размеры порядка длины волны.

Планарные волноводы и интегрированная оптика

В 1969 году Стюарт Миллер из Bell Labs предложил разработать монолитную «интегральную оптику», в которой свет переносился бы простыми планарными стеклянными волноводами с высоким показателем преломления и толщиной всего 2 мкм, заключенными в оболочку с более низким показателем преломления (рис. 1). Расчеты показали, что затухающие волны могут проходить между двумя близко расположенными параллельными волноводами, оптически связывая свет между ними. Другие ранние идеи включали создание кремниевых волноводов, окруженных кремнеземом или воздухом, и создание модуляторов путем диффузии титана в волноводы из ниобата лития.

Рис. 1. Простой планарный волновод из материала с высоким коэффициентом преломления, заключенный в блок из материала с низким коэффициентом преломления, который служит оболочкой. Волновод также может быть нанесен поверх материала с более низким показателем преломления, при этом воздух служит оболочкой по бокам и сверху, или может быть встроен в поверхностный слой, причем воздух служит верхней оболочкой.

Плоские волноводы вскоре нашли применение в диодных лазерах. Их прямоугольное поперечное сечение совместимо с методами фотолитографии и производства полупроводников, используемыми в двойных гетероструктурах, в которых активный слой с высоким показателем преломления зажат между двумя слоями с более низким показателем. Широко используемая полосковая геометрия, используемая в диодных лазерах, представляет собой планарный волновод толщиной в доли микрометра и шириной всего несколько микрометров.

Материалы для комплексной фотоники

Кремний является основным материалом для интегрированной фотоники, потому что он имеет огромную промышленную базу и может обеспечивать электронные компоненты, жизненно важные для фотоники. Он прозрачен от 1100 до 3500 нм, охватывает окна 1310 и 1550 нм, а его высокий показатель преломления в этом диапазоне - около 3,5 - позволяет ему направлять свет путем отражения в небольших компонентах. Светоизлучающие полупроводники III-V, обычно с подложками из фосфата индия (InP), прикрепляют к кремниевой основе с помощью перевернутого кристалла, образуя кремниевые интегрально-фотонные гибриды.

Интегрированная фотоника также может быть основана на InP, который прозрачен от 1000 до 2500 нм, закрывая диапазоны распространённых волокон. InP имеет прямую запрещенную зону, и на ней можно выращивать полупроводники III-V для изготовления лазеров, детекторов и других компонентов. Он используется в коммерческих целях для высокопроизводительных передатчиков и приемников связи, но промышленная база намного меньше, чем у кремния, и затраты выше.

Диоксид кремния (SiO2) и некоторые другие стекла также привлекательны, потому что они прозрачны от 300 до 2500 нм, а их затухание в волноводах намного ниже, чем у большинства других волноводных материалов. Однако показатель преломления SiO2 составляет 1,45, что не позволяет ему удерживать свет так же хорошо, как кремний или другие полупроводники с высоким показателем. Из него также нельзя делать лазеры, модуляторы или детекторы.

Нитрид кремния (Si3N4) является относительным новичком, прозрачным в диапазоне от 400 до 2350 нм, с показателем преломления, близким к 2 в этом диапазоне. Обычно это тонкая пленка, нанесенная на кремнезем, который служит оболочкой. Quix (Энсхеде, Нидерланды), которая разрабатывает интегрированный фотонный квантовый процессор, заявляет, что его волноводы, покрытые кремнеземом, имеют затухание от 0,001 до 0,1 дБ/см. Ligentec (Женева, Швейцария) интегрирует компоненты Si3N4, включая спирали, фильтры, кольцевые резонаторы, интерферометры Маха-Цендера и нагреватели. Компания заявляет, что ее волноводы можно использовать в диапазоне 2–3 мкм.

Полимерные оптические волноводы существуют уже много лет, и Laser Focus World опубликовал статью о том, как их можно использовать со встроенной оптикой еще в 2000 году. В процессе, называемом «метод москита», слой оболочки в жидкой форме наносится на подложки, затем в слой оболочки вводится материал с более высоким показателем преломления, и композит отверждается в ультрафиолетовом свете с образованием круглой сердцевины. Этот процесс позволяет производить многомодовые и одномодовые сердечники, которые могут изготавливаться параллельно для формирования многоканального волновода.

Ни один из известных материалов не обеспечивает все необходимые параметры интегрированной фотоники, поэтому поиск новых материалов не останавливается. Осаждение атомного слоя может формировать волноводы из оксида алюминия (Al2O3) на диоксиде кремния или кремнии с потерями менее 3 дБ/см в фиолетовом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне, что на порядок меньше, чем в других волноводах в этом диапазоне. Кремний-германиевые (Si0,2Ge0,8) интерферометры Маха-Цендера, на основе волноводов, изготовленных на градиентной подложке Si1-xGex, продемонстрировали коэффициенты экстинкции более 10 дБ в диапазоне 3 мкм. Фотоприемники сульфида молибдена (MoS2), планарный материал, похожий на графен, были интегрированы в чипы из нитрида кремния.

Интегрированные фотонные устройства

Комбинации планарных волноводов могут выполнять множество функций. Простой Y-образный ответвитель делит свет поровну между двумя волноводами, смещенными под равными углами (рис. 2). Волноводы могут быть сконфигурированы для формирования интерферометров Маха-Цендера для различных целей.

Рис. 2. Симметричное разделение плоского волновода может поровну разделить свет в Y-ответвителе

Связь с исчезающей волной может передавать свет между двумя близко расположенными параллельными волноводами (рис. 3). Неустойчивое соединение - это эффект, сила которого зависит от расстояния между двумя волноводами. Свет постепенно проникает из одного волновода в другой; если волноводы остаются параллельными на достаточно большом расстоянии, весь свет просачивается в другой, а затем начинает просачиваться обратно. Такой ответвитель можно превратить в фотонный переключатель, изменив рабочие условия, например, нагревая волноводы, чтобы изменить скорость утечки света между параллельными волноводами.

Рис. 3. Передача света между двумя световодами с непрозрачной связью

Решетки с волноводом

Комбинирование множества волноводов может привести к сложным эффектам, таким как демультиплексирование сигналов, передаваемых в плотном мультиплексировании с разделением по длине волны (DWDM) массивной волноводной решеткой (AWG), одним из первых устройств с планарными волноводами.

Как показано на рисунке 4 , входной сигнал, подлежащий демультиплексированию, распределяется в широкую область смешения, где он объединяется во множество параллельных волноводов, каждый из которых собирает сигналы на всех длинах волн. Длины соседних волноводов различаются на приращение Δ, которое задерживает прохождение света через две соседние длины волн на фазовый сдвиг nΔ/λ, где n - показатель преломления, а λ - длина волны.

Рис. 4. Массивные волноводные решетки широко используются в качестве мультиплексоров для разделения сигналов при мультиплексировании с разделением по длине волны

Когда свет выходит из волноводов, дифракция и преломление распространяют его через вторую область смешения, сортируя длины волн в отдельные выходные волноводы. Фактическое количество волноводов, соединяющих две области смешивания, больше, чем количество длин волн в сигнале. Например, демультиплексирующий 64 оптических канала AWG может включать в себя 232 параллельных волновода, связывающих области смешения.

Кольцевые резонаторы

Одной из важнейших конфигураций планарного волновода является кольцевой резонатор. В простейшем виде это круглый волновод, расположенный рядом с линейным волноводом (рис. 5). Линейный волновод слева служит входом и выходом. Там, где линейный и кольцевой волноводы расположены ближе всего, затухающие волны в линейном волноводе переносят свет на кольцо. Количество света связано, зависит от расстояния между волноводами, их структур и деталей, таких как размеры волновода и показатели преломления материалов. Свет улавливается в кольцевом волноводе за счет полного внутреннего отражения, за исключением мест, где другие волноводы подходят достаточно близко, чтобы затухающие волны просачивались в другой волновод.

Рис. 5. Простой кольцевой резонатор, светопередача зависит от радиуса кольца r, ширины волноводов W и зазора g между волноводами

В кольце возникают резонансы на длинах волн, на которых целое число волн укладывается в длину окружности кольца. Это позволяет кольцевым резонаторам служить фильтрами, которые выбирают, какие длины волн передавать на дополнительные кольца и/или линейные волноводы. Выбранные длины волн можно настраивать с помощью термооптических или электрооптических эффектов. Полный диапазон переключений и других функций, возможных с кольцевыми резонаторами, выходит за рамки этой статьи, но, в качестве репрезентативного примера, нелинейные эффекты в простых кольцевых резонаторах могут быть использованы для оптического переключения.

Использование нелинейной оптики для преобразования длины волны в волноводной оптике вызывает значительный интерес, но многие приложения требуют повышения эффективности. Много работ было посвящено эффектам третьего порядка, таким как четырехволновое смешение, но другие рассматривают нелинейности второго порядка, которые могут быть более эффективными на некоторых уровнях мощности. Недавнее исследование показало, что полностью оптическая поляризация волноводов из нитрида кремния может генерировать широко настраиваемые вторые гармоники.

Источник: www.electronicdesign.com