Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
71
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
= E0 e _'АР(z-2^ )e -i(ez-2фs ) + E0 ^АР(z-2^ )e -i(ez-2фs ) = 2E0 cos [АР(z - 2zs)] e _i(pz-2ф*).
(11.24)
Сравним полученное выражение с выражением для падающего пучка (11.19). Видно, что действительные амплитуды будут равны, если z в аргументе косинуса для отраженного пучка заменить на (z + 2 zs). При
полном внутреннем отражении такое равенство должно соблюдаться. Это означает, что отраженный пучок сдвинут относительно падающего на 2zs. Величина zs получила название сдвига Гуса - Хэнхена.
Оптическое туннелирование. В рамках лучевой модели пространственный сдвиг луча может трактоваться как результат отражения света от некоторой виртуальной плоскости, лежащей в среде с меньшим показателем преломления (рис. 11.3). Явление проникновения света через границу раздела в оптически менее плотную среду при полном внутреннем отражении называется оптическим туннелированием. Глубина проникновения связана с величиной сдвига Гуса - Хэнхена:
Таким образом, при распространении света в плоском оптическом волноводе часть энергии волноводных мод переносится вне центрального слоя. Поэтому с энергетической точки зрения волновод характеризуется эффективной толщиной de, равной
Отношение доли энергии волноводной моды, удерживаемой в волноводном слое, к полной энергии моды называют коэффициентом оптического ограничения.
Заметим, что именно эффект оптического туннелирования вызывает необходимость использования оптически прозрачных сред при изготовлении неволноводных слоев, таких как оболочка оптического волокна, подложка и покровный слой плоского волновода. Это необходимо для того, чтобы исключить необратимые потери той части энергии волноводных мод, которая распространяется за пределами волноводного слоя. С другой стороны, явление оптического туннелирования широко используется в интегральной оптоэлектронике, в частности для ввода и вывода излучения, а также для связи между волноводами.
xs ¦ tg в = zs .
(11.25)
de = d + xs + xc .
(11.26)
72
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Лекция 12. ПРИНЦИПЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ
Возбуждение и вывод излучения из волноводов. Трудности ввода излучения в оптические волноводы обусловлены различием угловых и линейных апертур источников излучения и волноводов, волноводов и фотодетекторов, волноводных элементов, выполняющих разные функции. Проблема усложняется эффектами отражения, дискретностью возбуждаемых мод и т. д. К настоящему времени предложено множество схем ввода - вывода излучения в интегрально-оптических структурах. Соответствующие устройства называют элементами связи.
Основными параметрами любого элемента связи являются его эффективность и модовая избирательность. Общее определение эффективности связи выглядит следующим образом:
Пет = p , (12.1)
где P - мощность оптического пучка до сопряжения, Pm - мощность, введенная (или выведенная) в m-ю моду. Наряду с параметром пет используют логарифмическую величину вида
P
Bcm = 10lg — , (12.2)
m
называемую потерями связи. В соответствии с этими определениями эффективность и потери связи могут быть определены для каждой моды в отдельности. Для многомодовых систем можно говорить об интегральной эффективности пс и интегральных потерях Bc.
Торцевое возбуждение. Ввод излучения путем фокусировки светового пучка на торец волноводного слоя прост по своему принципу, однако требует субмикронной точности юстировки. Если источником из-
лучения является инжекционный лазер, то может использоваться без-линзовая торцевая стыковка с волноводом. Возникающие при этом трудности связаны с сильным влиянием излучения, отраженного от торца волновода, на режим генерации лазера. Если же лазер приводится в оптический контакт с волноводом, то коэффициент отражения лазерной грани резко снижается. Это приводит к повышению порога и срыву генерации в лазере. Более подходящими для торцевого возбуждения волноводов являются лазеры с распределенной обратной связью (РОС) и лазеры с распределенными брегговскими отражателями (РБО). Наличие зеркал в таких лазерах необязательно и они могут играть роль активного волновода, интегрированного в интегрально-оптическую схему.
Возбуждение через поверхность: призменный и дифракционный элементы связи. Как следует из принципа обратимости хода оптических лучей, возбудить волноводные моды путем облучения волновода
73
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
через одну из его плоских поверхностей невозможно. Для возбуждения волноводов через поверхность требуются специальные приемы.
Идея метода, использующего эффект оптического туннелирования, состоит в следующем. Миниатюрная призма с высоким показателем преломления np > n у плотно прижимается к поверхности волновода.
При этом между основанием призмы и поверхностью волновода все же остается узкий зазор шириной d в десятые доли X (рис. 12.1). Излучение направляется на призму таким образом, чтобы на ее нижней грани имело место полное внутреннее отражение. Вследствие оптического туннелирования часть энергии излучения через зазор d проникает в волноводный слой. В этих условиях для возбуждения волноводной моды необходимо выполнение следующего условия:
