Интегральная оптика

Интегральная оптика – раздел современной оптики, изучающий процессы распространения и преобразования света в тонкоплёночных диэлектрических волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке оптических волноводных устройств. Длины волн, которые представляют интерес, лежат в диапазоне 0.1 – 10 мкм. Для излучения > 10 мкм применяются металлические СВЧ-волноводы. В диапазоне < 0.1 мкм в настоящее время отсутствуют подходящие источники излучения, а диэлектрические материалы, применяемые для волноводной техники, обладают большими потерями. Интегральная оптика – аналог интегральным электронным схемам; проводником является планарный волновод, активными элементами - светодиод, лазер, модулятор, приёмник излучения. Создаются «чипы» на одной подложке (кристалле). Если в электронных интегральных схемах применяется кремний, то в интегральной оптике возможно применения арсенида галлия, который успешно может быть использован для изготовления источника, волновода и приёмника излучения.

Основой интегральных оптических устройств являются планарные волноводы – тонкоплёночные и диффузионные. Планарные оптические волноводы, например плёнки, полоски, полосковые структуры, необходимы для построения распределённых оптических элементов, соединения элементов и субсистем между собой. Направляющие свойства оптических волокон основаны на явлении полного внутреннего отражения света. Такие волокна состоят из оптически прозрачного вещества, окружённого оптически менее плотным материалом. На подложку наносится тонкая плёнка, толщина которой равна приблизительно рабочей длине волны. Подбираются материалы, чтобы выполнялось следующее неравенство показателей преломления (рис. 38):

n₂ > n₃ > n₁.

Диффузионные планарные волноводы не имеют чёткой границы между слоем и подложкой, они изготавливаются диффузией примеси в подложку.

Рис. 37. Структура трёхслойного планарного волновода.

При легировании материала подложки изменяется показатель преломления слоя, чем больше концентрация примеси, тем меньше показатель преломления. Локализация света в волноводе обусловлена полным внутренним отражением на граничных поверхностях. Обычно достаточно, чтобы показатели преломления слоёв отличались лишь на 10^-2. Побираются такие сочетания n₁, n₂, n₃, чтобы распространялась заданная мода. Чем меньше толщина планарного волновода, тем меньшее число мод будет распространяться в волноводе. Типичная толщина плёнки – 1 мкм.

Существует несколько элементов связи для ввода световых пучков в планарный волновод: поперечные элементы связи и продольные. При поперечных элементах связи лазерный луч падает непосредственно на перпендикулярную ему плоскость волновода (поперечное сечение) z = 0, (рис. 39). Такая система называется элементом «прямого типа». В данном случае преобразование энергии пучка в необходимую поверхностную волну достигается путём согласования поля пучка, падающего слева на границу z = 0, с полем поверхностной волны, распространяющейся вправо от этой границы. Кривая распределения амплитуды светового пучка похожа на гауссову форму распределения лазерного пучка. Следовательно, необходимое согласование полей можно осуществить при помощи соответствующего уменьшения ширины входящего лазерного пучка, например путём соответствующего подбора геометрии линз. Таким образом, эти элементы связи могут иметь эффективность почти 100%. Однако на практике поперечную схему элементов связи сложно осуществить, в первую очередь, из-за малой толщины волноводной плёнки.

Рис. 39. Поперечный метод преобразования светового пучка в

поверхностную волну.

К продольным элементам связи относятся призменные и решёточные элементы связи. Призменный элемент линии связи – введение светового пучка в планарную структуру с помощью призмы, которая обладает более высоким показателем преломления, чем материал волновода (рис. 40).

Рис. 40. Призменный элемент связи, h-воздушный зазор.

Призма помещается над плёнкой на расстоянии h менее длины волны света. Световая волна на нижней грани призмы связи испытывает полное внутреннее отражение. При этом за пределами нижней грани существует затухающее поле (неоднородная волна), которое распространяется в воздушном зазоре на глубину порядка длины волны. При зазоре, меньшем длины волны это поле перекачивается в волновод. При постоянной толщине воздушного зазора в плёнку можно ввести до 80% лазерного излучения. Однако получение такого зазора достаточно сложно. Условие максимальной связи состоит в том, чтобы правый край светового пучка точно пересекал угол призмы. В случае волноводов из арсенида галлия, который имеет высокий показатель преломления, необходимо, чтобы призмы обладали очень высокими показателями преломления, что не всегда легко обеспечить.

Для ввода светового пучка в тонкие плёнки применяются диэлектрические (голографические) решётки – решёточные элементы связи (рис. 41).

Рис. 41. Решёточный элемент связи. d-период решётки.

Решётка изготавливается в виде плёнки фоторезиста, который экспонируется интерференционной картиной от двух противоположно бегущих волн, полученных путём деления и последующего объединения лазерного пуча. Решёточный элемент ввода работает аналогично призменному элементу ввода, за исключением того, что призма и воздушный зазор заменены решёткой. Связь основана на дифракции света на решётке и на существовании определённых мод в волноводе. Как и в случае призменного элемента связи, наиболее эффективная связь между падающим пучком с однородным распределением интенсивности и поверхностной волной достигается, если граница пучка точно пересекает край решётки. Основной недостаток решёточного элемента связи состоит в том, что значительная часть падающей энергии много раз проходит через плёнку, а затем теряется в подложке, поскольку в отличие от призменного элемента связи решёточный элемент не может работать в режиме полного отражения. Эффективность этой связи может достигать почти 100%, если соответственно рассчитать толщину и форму профиля решётки (в этом случае за решеткой наблюдается неоднородная световая волна).

В интегрально-оптическом исполнении могут быть и пассивные оптические элементы – линзы, призмы. При создании этих элементов локальное изменение показателя преломления, а, следовательно, и хода световых лучей достигается локальным изменением толщины элемента. Для введения в световую волну информации в интегральной оптике применяются оптические модуляторы, которые изменяют интенсивность (амплитуду), фазу, состояние поляризации или частоту световых колебаний. Для модуляции световой волны можно использовать акусто-, электро- или магнитооптический эффекты.

Г лава 7. Голография.

Человеческий орган зрения – парный. Каждый глаз человека видит несколько иную картину пространства. В центральной нервной системе создаётся синтез обеих картин – трёхмерное изображение предмета. При восприятии предметов, расположенных на значительном расстоянии, существует предел стереоскопического зрения. Для увеличения этого предела искусственно увеличивают пространственный параллакс, используя стереоскопические бинокли, дальномеры и т. д.

Для создания стереоскопического эффекта иногда используют два изображения различной окраски, которые рассматривают через очки со стёклами разного цвета. При этом глаза воспринимают изображения каждый в своём цвете.

Другой метод наблюдения стереопар основан на использовании поляризованного света. При этом два плоских изображения формируются различно поляризованными световыми пучками, а их наблюдение осуществляется через поляризационные очки, которые разделяют изображения, предназначенные для наблюдения левым и правым глазом соответственно. Наиболее широкое распространение нашёл способ, основанный на использовании цилиндрического линзового растра (например, в художественных открытках со стереоэффектом). В этом случае оба плоских изображения, предназначенных для правого и левого глаза, разделены на вертикальные полоски, которые переменно чередуются. Перед полосками помещают цилиндрическую линзу таким образом, чтобы, глядя на открытку, оба глаза наблюдали полоску, принадлежащую к разным изображениям. Так возникает стереоэффект. Цилиндрический линзовый растр можно легко изготовить из прозрачной пластмассы путём теснения.

Решению этой проблемы были посвящены исследования Г. Липпмана, предложившего метод интегральной фотографии. Он заключается в получении совокупности большого количества изображений объекта, снятых в различных ракурсах. Для этого используется оптический растр, представляющий собой матрицу, составленную из маленьких линз. Метод интегральной фотографии хотя и позволяет получить объёмное изображение предмета, но полной пространственной картины он не даёт, кроме того он технически сложен и во многом ограничен.

Для получения объёмного пространственного изображения необходимо записать не только амплитуду световой волны от каждой точки, но также и фазу этой волны. Все приёмники излучения реагируют лишь на интенсивность света, и поэтому информация о фазе световой волны теряется. Если мы хотим записать фазу, то необходимо передать фазовые изменения посредством соответствующих изменений интенсивности. Эта передача возможна при использовании интерференции света.

Одним из замечательных открытий физики ХХ века является голо графия – принципиально новый метод записи и восстановления объёмных оптических изображений. Основы голографии были заложены в 1948 г. английским физиком Д. Габором. Голографией называют метод записи и последующего восстановления структуры идущих от объекта (предмета) световых пучков, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных световых пучков. Термин «голография» может быть переведён как «полная запись», от греческих слов holos – весь, и grapho – пишу. Бурное развитие голографии началось в 60-х годах ХХ-го столетия, после появления лазеров.

Напомним, что когерентность означает согласованное протекание в пространстве и во времени нескольких волновых процессов. Два световых колебания называются когерентными, если их разность фаз постоянна или изменяется по известному закону. При сложении таких колебаний амплитуда суммарного колебания зависит от разности фаз составляющих, т. е. возникает явление интерференции.

Голографический метод получения оптических изображений. Освещённый когерентным светом объект помещают перед фотодетектором – экраном со светочувствительным слоем, способным сохранить изображение. Отражённая от объекта световая волна падает на светочувствительный слой (фоторезист); её называют объектной волной. Одновременно направляют на фоторезист вспомогательную световую волну, полученную от того же лазера, которым освещается объект, её называют опорной волной (рис. 42 а). Волны интерферируют, и эта картина запоминается светочувствительным слоем. После проявления мы имеем «засвеченный негатив», называемый голограммой, который хранит изображение объекта. Оно закодировано в тонкой и сложной картине интерференционных полос, в ней не видны контуры записываемого объекта. Расстояние между интерференционными полосами могут быть порядка 0.001 мм. Чтобы изображение предмета сделать наблюдаемым, надо выполнить операцию считывание голограммы: осветить голограмму опорной волной (рис. 42 б), которая теперь называется считывающей. Наблюдатель увидит объёмное изображение предмета. Восстановление (считывание) изображения происходит в результате дифракции когерентной считывающей волны на своеобразной дифракционной решётке, какую представляет собой зафиксированная на голограмме система интерференционных полос. Длины волн при записи и считывании голограммы могут быть разными.

Рис. 42. Запись голограммы (а) и считывание голограммы (б):

1-объектная волна, 2-опорная волна, 3-считывающая волна,

4 и 5-дифрагированные волны, 6-часть считывающей волны,

прошедшая сквозь голограмму, не испытав дифракции.

Итак, голографический метод получения изображений является двухступенчатым. Запись голограммы основана на явлении интерференции когерентных световых волн, а считывание – на явлении дифракции световых волн. В каждой точке голограммы угол дифракции всегда должен равняться углу интерференции. Принципиальная особенность голограммы заключается в том, что на ней фиксируется не изображение предмета, а идущие от него колебания световой волны. В процессе же восстановления происходит реконструкция этих колебаний.

Отметим следующие важные особенности голограммы:

- голограмма совершенно неразборчива, это сложный интерференционный узор, внешне не имеющий ничего общего с объектом;

- так как при голографировании на каждый участок голограммы падало излучение от всех точек предмета, то любой участок голограммы способен восстановить изображение всего предмета;

- для восстановления изображения можно использовать излучение с длиной волны, отличной от той длины волны, на которой записывалась голограмма;

- при восстановлении голографического изображения можно изменять характер волнового фронта опорной волны; воздействуя на голограмму расходящейся сферической волной, можно получить увеличенное изображение предмета и наоборот.

В 1962 г. российский физик Ю.Н. Денисюк разработал и осуществил метод записи голограмм в трёхмерной среде, используя толстослойную фотоэмульсию; толщина таких эмульсий во много раз больше длины света. Примечательная особенность голограмм Денисюка состоит в том, что для их считывания не требуется лазер. Они прекрасно считываются в солнечном свете, в свете от обычного проектора.

В ряде случаев голограмма предмета может быть получена расчётным путём, с помощью ЭВМ. Такие искусственно синтезированные голограммы называются цифровыми. Используя цифровые голограммы, можно получить волновой фронт, «идущий» от физически не существующего предмета, т. е. возможно представить наглядно результаты моделирования какой-либо конструкции, например, сложной оптической поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Оптоэлектроника родилась на стыке наук и, поэтому, предусматривает знание ряда разделов физики: волновой и квантовой оптики, квантовой электроники, физики диэлектриков и полупроводников, фотометрии. Это относительно молодая наука, её бурное развитие стало возможным после того, как человечество научилось получать полупроводниковые материалы с заданными параметрами. Современная оптоэлектроника стремится к миниатюризации отдельных элементов и в целом оптоэлектронных приборов. В настоящее время уровень развития технологии позволяет получать структуры с толщиной полупроводниковых и диэлектрических слоёв порядка рабочей длины волны. Основными методами получения структур являются газофазная эпитаксия (ГФЭ), жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), ионное легирование, получение слоев из металло-органических соединений. Термин «эпитаксия» происходит от греческих слов epi, что значит «на» и taxio– «упорядоченность». Он был введен Руайе еще в 1928 году, но широкое распространение получил в семидесятые – восьмидесятые годы 20-го столетия в связи с развитием технологии. На рис. 43 представлена упрощённая схема системы молекулярно-лучевой эпитаксии для выращивания структур на основе Ga(Al)As. Используются три управляемых источника, обеспечивающие молекулярные потоки Ga, Al и As различной интенсивности. Автоматическое управление молекулярными потоками позволяет с почти атомной точностью формировать самые разнообразные структуры микро- и наноэлектроники – от единичных гетеропереходов до квантовых ям, туннельных барьеров и сверхрешёток.

Рис. 43. Схематическое изображение сверхвысоковакуумной

МЭЛ-камеры для выращивания AlGaAs.

Благодаря успехам молекулярно-лучевой эпитаксии стало возможным создание многослойных структур с квантовыми ямами. В двумерном электронном газе легче создать инверсную заселенность, поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономичны, питаются меньшим током и дают больше света на единицу потребляемой энергии – до 60% электрической энергии преобразуется в свет. Ещё более заманчивым является создание лазеров на квантовых точках. Было обнаружено, что одиночная квантовая точка InAs в матрице GaAs даёт узкую (0.15 мэВ) линию люминесценции, при этом ширина линии не изменяется с температурой.

В данном курсе описаны в основном физические основы работы элементной базы оптоэлектроники оптического диапазона длин волн. Источники и приёмники излучения составляют основу оптоэлектронных приборов. Уделяется внимание также оптическим линиям связи и методам отображения изображения.

В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптоэлектроники, использующих принцип преобразования оптического излучения в электрический сигнал. Эти приборы широко применяются для точных измерений, для сбора, передачи и хранения информации, для видения в темноте, измерения температуры тел на расстоянии, в навигации, для обнаружения различных объектов, при исследовании окружающей среды, в медицине и т.д.

Примерами оптико-электронных приборов могут служить приборы ночного видения, широко применяемые как в быту, так и в военном деле; ИК-радиометры; оптические локаторы; приборы связи и передачи информации. Большую группу оптико-электронных приборов составляют устройства для получения тепловых карт местности, для исследования теплового рельефа работающих электронных схем, для медицинской диагностики.

Оптоэлектроника – развивающаяся наука. Прогресс в создании оптико-электронных приборов теснейшим образом связан с успехами в разработке новых материалов, с успехами технологии.

Рекомендуемая литература.

1. Шарупич Л.С., Тугов Н.М. Оптоэлектроника. М.: Энергоатомиздат. 1984, с. 256.

2. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике. М.: Энергия. 1975, 245.

3. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Изд-во «Мир», с. 428.

4. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках. М.: Изд-во «Мир», с. 456.

5. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь. 1990, с. 263.

6. Курбатов Л. Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. М.: Изд-во МФТИ. 1990, с. 320.

7. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: «Радио и связь». 1989, с. 360.

8. Кравченко А.Ф., Овсюк В.Н. Электронные процессы в твёрдотельных системах пониженной размерности. Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета. 2000, с. 447.

9. Интегральная оптика. Под редакцией Т. Тамира. М.: Изд-во «Мир», с. 344.

10. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. М.: «Советское радио». 1967, с.451.

11. Милер М. Голография. Лен-д:«Машиностроение». 1979, с. 139.

12. Василевский А.М., Кропоткин М.А., Тихонов В.В. Оптическая электроника. Лен-д: Энергоатомиздат. 1990, с. 176.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 1

Глава 1. Введение в оптоэлектронику. 4

1. 1.Оптический диапазон электромагнитного излучения. 4

1. 2. Эволюция представления о свете. 5

1. 3. Основные понятия фотометрии. 5

Глава 2. Источники излучения оптического диапазона. 11

2. 1. Тепловые источники излучения. 11

2. 2. Газосветные источники излучения. 11

2. 3. Люминесценция. Спонтанное и вынужденное излучения. 12

2. 4. Оптические квантовые генераторы - лазеры. Светоизлучающие диоды. 13

Глава 3. Приемники излучения оптического диапазона, их основные характеристики. Шумы внешние и собственные шумы приёмников излучения. 19

3. 1. Основные характеристики приёмников излучения. 19

3. 2. Тепловые приемники излучения. Физические основы.. 21

их работы. 21

3. 2. 1. Болометр. 21

3. 2. 2. Сверхпроводящие болометры. 23

3. 2. 3. Термоэлектрические явления. Термопара. 23

3. 2. 4. Оптико-акустический (пневматический) приемник. 24

3. 2. 5. Пироэлектрические детекторы. 25

3. 3. Фотонные приемники излучения оптического диапазона. Физические основы их работы. 26

3. 3. 1. Краткие сведения из физики твёрдого тела. 26

3. 3. 2. Внешний фотоэффект. Фотоэлементы. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). 28

3. 3. 3. Фотоэффект внутренний, фотопроводимость. Механизмы рекомбинации. Фотосопротивления. 30

3. 3. 4. Фотоэффект на р-n-переходе. Вольт-амперная характеристика перехода. 34

3. 3. 5. Вентильные фотоэлементы и фотодиоды. 36

3. 3. 6. Лавинные фотодиоды, фотодиоды Шоттки, фотодиоды с гетероструктурой. 38

З. 3. 7. Фотоприёмники с зарядовой связью. ПЗС – структуры. 39

3. 3. 8. Приёмники излучения для ультрафиолетовой области спектра. 40

3. 3. 9. Приёмники излучения на основе квантово-размерных эффектов. 42

3. 4. Фотоэлектромагнитый эффект. Эффект Дембера. 45

Глава 4. Методы модуляции лучистого потока.. 46

Глава 5. Тепловидение. Тепловизор. Фокальные, «смотрящие» матрицы излучения. 48

5. 1. Основы тепловидения. 48

5. 2. Тепловизор. 49

5. 3. Фокальные, «смотрящие» матрицы. 51

Глава 6. Оптическая связь. Основы волоконной оптики. 53

Интегральная оптика. 53

6. 1. Оптическая связь. 53

6. 2. Основы волоконной оптики. 53

6. 3. Интегральная оптика. 58

Глава 7. Голография. 62

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 65

Рекомендуемая литература. 67

Дата добавления: 2014-01-05