На основе какого материала формируется интегральный лазер

Основные компоненты устройств интегральной фотоники Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д.

В работе дан анализ основных составляющих устройств интегральной фотоники. Выделены базовые блоки, являющиеся основой более сложных интегрально-оптические устройств. Проанализированы требования, предъявляемые к компонентам этих устройств.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д.

Основные направления и компоненты интегральной фотоники
Фоточувствительные полимерные волноводы на основе антраценоилацетоната дифторида бора
Электро — и магнитооптические переключателидля волоконно-оптических сетей связи
Анализ поведения экстремальных областей при согласовании планарных многослойных волноводных структур

Оптимизация параметров изготовления интегрально-оптических элементов для волоконно-оптических гироскопов

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Основные компоненты устройств интегральной фотоники»

compared to Asia, the roll-out of FTTx in Europe has been much slower. In Europe, the main incentives to invest in fibre infrastructure have originated from the competitive pressure of alternative operators, but with relatively small, limited developments, rather than nationwide roll-outs. In response to the economic crisis, where operators are reducing their investments by postponing the launch of big projects, governments have begun to deploy incremental public infrastructure programs with an ICT focus. Therefore, in today’s situation, the potential of alternative NGN access technologies should be considered as well.

1. The Development of the Next Generation Network [Электронный ресурс] / J. Paul. — Kühn, 2005. — Режим доступа: http://www.ieee-im.org/2005/ PKKeynote.pdf.

2. Developments of Next Generation Networks ITU 2009 International Telecommunication Union (ITU) [Электронный ресурс]. — Geneva, 2009. — Режим доступа: http://www.itu.int/ITU-D/treg/Documentation/ITU-NGN09.pdf.

3. NGN implantation and implications [Электронный ресурс] // Sameer Sharma. — 2011. — Режим доступа: www.trai.gov.in/WriteReadData/trai/uplo-ad/misc/174/SameerITU%20Activities%20and%20Standadisation%20on%20NGN %20R1.pdf.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ УСТРОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ

© Андросик А.Б.*, Воробьев С.А.*, Мировицкая С.Д.*

Московский государственный открытый университет, г. Москва

В работе дан анализ основных составляющих устройств интегральной фотоники. Выделены базовые блоки, являющиеся основой более сложных интегрально-оптические устройств. Проанализированы требования, предъявляемые к компонентам этих устройств.

В интегральной фотонике есть некоторые основные компоненты, являющиеся общими для большинства интегрально-оптических устройств [1]. Хотя, в основном, все эти компоненты выполняют те же функции, что и соответствующие устройства в обычной оптике, механизм работы этих ком-

* Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук.

* Профессор кафедры Электронной техники, кандидат технических наук.

» Доцент кафедры Управления и информатики в технических системах, кандидат технических наук.

понент отличен, а их дизайн не имеет ничего общего с традиционными оптическими изделиями.

В настоящее время список интегральных фотонных приборов быстро увеличивается, однако, номенклатура основных компонентов остается почти неизменной. Ниже рассмотрены базовые блоки, из которых строятся более сложные интегрально-оптические устройства. Выделены некоторые из общих компонент и показаны особенности проектирования интегральных фотонных приборов по сравнению с аналогичными оптическими компонентами [2]. Главное отличие заключается в том, что в обычной оптике свет рассматривается как плоские волны или пучки, в интегральной оптике при моделировании используется формализм электромагнитных волн; это происходит, поскольку размер пучка имеет порядок длины волны излучения, обычно в несколько микрон. Фактически, оптическое распространение в интегральных фотонных приборах связано с волноводными каналами размером несколько микрометров по высоте и ширине. Канал расположен в одиночной плоской подложке, другие связанные элементы (электроды, пьезоэлементы, нагреватели и т.д.) расположены на той же подложке, что обеспечивает устойчивость и компактность фотонному прибору. Все основные компоненты, описанные ниже, формируются на одномодовых канальных волноводах.

Оптические элементы, располагающиеся в оптическом чипе, классифицируются по функциональным возможностям на пассивные, активные и нелинейные [3]. Пассивные оптические элементы устанавливают входные / выходные характеристики, определяемые при изготовлении фотонного элемента. Примерами являются делитель мощности (power splitter), волно-водный отражатель (waveguide reflector), направленный ответвитель (directional coupler), поляризатор и поляризационный делитель пучка (polarisation beam splitter). Функциональные оптические элементы — фотонные компоненты, управляемые с помощью внешних полей (например, электрическими, акустическими или тепловыми). В эту группу входят фазовый модулятор, модулятор интенсивности, конвертер частоты и электрооптический конвертер TE / TM конвертер. Хотя некоторые авторы называют эти элементы активные устройствами, здесь используется название «активные элементы» для фотонных компонентов, выполняющих функции оптического усиления и лазерной генерации. Этот выбор связан с тем, что они используют активные примеси (типа редкоземельных элементов), внедренных в структуру волновода; усиление (или генерация) происходит за счет процесса люминесценции, возникающей при оптической (или электрической) накачке. Интегральный оптический усилитель (integrated optical amplifier) и интегральный лазер (integrated laser) — два примера активных элементов (active devices). Некоторые интегральные оптические устройства используют нелинейность определенных материалов для выполнения удвоения частоты (frequency doubling) или оптического параметри-

ческого усиления (optical parametric oscillation); при этом оптический чип генерирует новые частоты путем нелинейного оптического процесса. Поскольку эффективность нелинейных процессов пропорциональна интенсивности света, такие устройства хорошо работают в интегральном фотонном варианте благодаря малым поперечным размерам области волновода, по которому распространяются лучи.

Все оптические компоненты в интегральной фотонике создаются на основе трех базовых элементов: прямой волновод (straight waveguide), изогнутый волновод (bend waveguide) и делитель мощности (power splitter). Используя эти элементы, были разработаны несколько базовых компонентов для выполнения основных оптических функций. Универсальность является одной из особенностей интегральной фотоники. Ниже рассмотрено несколько базисных блоков и оптических элементов, выполняющих основные функции, присущие многим интегральным оптическим устройствам.

Соединитель (Interconnect). Этот базовый элемент служит для оптической связи двух точек фотонной схемы (рис. 1,a). Прямой канальный волновод (рис. 1,б) является самой простой структурой для распространения излучения и связывает различные элементы, расположенные на оптическом чипе. Он может также действовать как пространственный фильтр Гауссовых мод. Для связи различных элементов, расположенных не на одной оптической оси устройства, необходим волновод изгиба, поэтому последний часто называется изогнутым волноводом (рис. 1,в). Они также используются как пространственные канальные волноводы в торцах схемы для присоединения к схеме волоконных жгутов (multiple fibers).

Делитель мощности 1 x 2 (Power splitter 1 x 2). Делитель мощности 1 х 2 — симметричный элемент, разделяющий мощность прямого волновода между двумя выходными волноводами (рис. 1,г). Самый простой вариант делителя мощности — тройник с плавными отводами (Y-branch — Y -разветвитель) (рис. 1,д), легкий в изготовлении и относительно нечувствительный к производственным допускам. Однако радиусы кривизны двух переходов и соединения должны быть корректно спроектированы во избежание потерь мощности. Кроме того, если два плеча отделены наклоненными прямыми волноводами, угол наклона должен быть малым, не превышающим несколько градусов. Другой вариант делителя мощности -многомодовый интерференционный элемент (MMI — multi-mode interference element, рис. 1,е). Это название исходит из многомодовой характеристики широкой волноводной области, где присутствует деление мощности. Преимуществом такой схемы является малая длина MMI по сравнению с тройником с плавными отводами. Хотя габариты MMI не являются критическими, и обладают широким допуском, этот элемент проектируется для конкретной длины волны. Описанные выше два делителя мощности имеют симметричную форму, и входная мощность делится пополам в

каждом выходном волноводе. Однако, для конкретных целей можно спроектировать асимметричные делители. Возможно также создание делителей с N выходными волноводами; в этом случае элемент называется 1 х N делителем (1 х N splitter).

Волноводный рефлектор (Waveguide reflector). Волноводный рефлектор выполняет задачу отражения назад излучения в прямом волноводе (рис. 1,ж). Самым простым способом является помещение металлического зеркала в конце волноводного канала (рис. 1,з). При необходимости отражения только для определенной длины волны, используется мульти стековое диэлектрическое зеркало (multi-stack dielectric mirror). Другим способом построения волноводного рефлектора является использование решетки в области прямого волновода (рис. 1,и). Решетка играет роль селективного элемента, период решетки рассчитывается для рабочей длины волны. Коэффициент отражения решетки зависит от ее размера и глубины модуляции показателя преломления. Селективность решетки также используется для проектирования волноводных фильтров, работающих на условии Брэгга. Помимо этого, решетка в интегральной фотонике используется как оптический элемент для выполнения функций фокусировки, отклонения, связи и разделения излучения в волноводе, обратной связи в интегрированном лазере, преобразователях и т.д.

Волноводный отражатель Вход

Делитель мощность 1×2 Вход — Выход

Многомодоный интерференционный элемент

Направленный ответвитель Входы _Выходы

Электрооптический конвертер ТЕ/ТМ mo,j

Поляризационный делитель пучка Вход Выход

MoayjiJHiop ин!енсивности Вход -Выход

Рис.1. Интегральные фотонные элементы

Направленный ответвитель (Directional coupler). Этот элемент имеет по два входных и выходных порта (рис. 1,л) и состоит из двух близко расположенных волноводов (рис. 1,м). Принцип работы устройства основан на периодическом обмене оптической мощностью, который происходит между двумя смежными волноводами путем перекрывания угасающих волн рас-

пространяющихся мод. Этот эффект базируется на формализме вытекающей моды. При проектировании задаются следующие параметры: расстояние между волноводами и длина ответвителя, отношение мощностей между двумя выходными портами в интервале от нуля до единицы.

Поляризатор (Polariser). Волноводный поляризатор позволяет передавать излучение, имеющее четко определенный поляризационный характер (TE или ТМ излучение) путем фильтрации одной из составляющих (рис. 1,н). Изготовление волноводного поляризатора аналогично нанесению металлической пленки на волновод (рис. 1,о): излучение распространяется вдоль волновода; его электрическая составляющая располагается строго перпендикулярно плоскости подложки (ТМ мода) и уменьшается вследствие резонансной связи с поверхностными модами. Тогда на выходе волновода присутствует излучение только с TE поляризацией. Поскольку TE мода также испытывает некоторое ослабление, длина пленки тщательно выбирается для получения высокого поляризационного отношения, поддерживающего высокую мощность TE составляющей. Альтернативным способом получения волноводного поляризатора является проектирование волновода, поддерживающего только TE поляризованные моды. Они получены, например, в ниобат литиевых волноводах, изготовленных методом фотонного обмена.

Поляризационный делитель пучка (Polarisation beam splitter). В некоторых интегрально-оптических устройствах требуется деление входного излучения на две ортогонально поляризованные составляющие (TE и ТМ) в двух отдельных портах волновода (рис. 1,п). На рис. 1,р показан интегрально-оптический элемент, базирующийся на подложке из ниобата лития, который выполняет эту функцию: пересекающийся волновод работает как направленный ответвитель, поведение которого зависит от биений между нечетной и четной модой излучения для TE-моды и ТМ-моды, соответственно. Излучение TE-моды распространяется перпендикулярно выходному порту, а ТМ моды — параллельно порту. Поляризационная селективность базируется на двулучепреломлении LiNbO3. Для получения высоких отношений затухания для обеих поляризаций при выбранной длине волны необходимо тщательно подбирать длину и ширину области пересечения.

Фазовый модулятор (Phase modulator). Интегрально-оптический фазовый модулятор осуществляет сдвиг фазы светового пучка (рис. 1,т) и состоит из волноводного канала, изготовленного на подложке с возможностью изменения его показателя преломления внешним полем (тепловым, акустическим, электрическим и т.д.). Самый распространенный фазовый модулятор основан на электрооптическом эффекте: электрическое поле прикладывается к электрооптическому материалу типа LiNbO3, что вызывает изменение его показателя преломления. Электрическое поле, приложенное к вол-новодному каналу, изменяет показатель преломления и постоянную распро-

странения моды; таким образом, излучение, проходящее через эту область, претерпевает изменение фазы (рис. 1,с). Геометрия электродов и величина напряжения зависят от кристаллической ориентации и структуры устройства. Для высокочастотной модуляции необходима специальная конфигурация электрода, типа движущейся волны (traveling wave) или обращения фазы (phase reversal).

Модулятор интенсивности (Intensity modulator). Одна из самых важных функций оптического элемента — модуляция интенсивности света на самых высоких частотах (рис. 1,у). Одним из простых способов решения этой задачи является построение интегрального интерферометра Маха-Цандера (MZI — Mach-Zehnder interferometer) на электрооптическом эффекте (рис. 1,ф). Интерферометр начинается с одномодового волноводного канала, а затем расщепляется на две симметричные ветви посредством Y-разветвителя. На некотором расстоянии эти две ветви становятся параллельными. Интерферометр продолжается симметричной обратной Y-ветвью, и заканчивается в прямом волноводе. Если интерферометр является строго симметричным, свет делиться в первом Y-соединении на две параллельных ветви, а затем повторно объединяется на выходе. Напротив, если в одном из плечей интерферометра происходит изменение фазы на 1800, в конце второй Y-ветви свет двух ветвей объединяется с разной фазой, что приводит к нарушению интерференции света. Изменение фазы в одном из каналов выполняется с помощью электрооптического эффекта путем приложения напряжения в поперечном сечении волновода. Соответственно выбирая кристаллическую ориентацию, поляризацию, геометрию электрода и приложенное напряжение, полное изменение фазы на 180° может быть получено для определенной длины волны.

Конвертер TE/TM мод (TE/TM mode converter). В обычных условиях TE и ТМ моды ортогональны, и передача мощности между ними не происходит. Однако, переход от TE к ТМ (рис. 1,х) достигается использованием электрооптической подложки, имеющей недиагональные элементы, отличные от нуля в электрооптической матрице коэффициентов. Если подложка изготовлена из ниобата лития, требуется периодический электрод, поскольку эти кристаллы являются двоякопреломляющими и поэтому TE и ТМ моды имеет различные эффективные преломляющие индексы (скорости распространения) (рис. 1,ц). Комбинируя фазовый модулятор и конвертер TE/TM мод, можно построить полностью интегральный поляризационный контроллер (integrated polarisation Controller).

Устройство фазового сдвига (Frequency shifter). Сдвиг частоты в интегральной оптике (рис. 1,ч) выполняется посредством акустооптического эффекта. Акустическая поверхностная волна (SAW — acoustic surface wave), полученная пьезоэлектрическим преобразователем, создает решетку Брэгга в акустооптической подложке. Она взаимодействует со светом в спе-

циально созданной области, давая начало дифракции света, что приводит к сдвигу частоты за счет эффекта Доплера (рис. 1,щ). Этот сдвиг соответствует частоте акустической волны.

Далее рассмотрены требования, предъявляемые к основным компонентам интегрально-оптических устройств (рис. 2).

Подложка. Интегрально-оптическое устройство можно сформировать на поверхности подложки из иных материалов, а также изготовить из материала на ее поверхности или в объеме.

Рис. 2. Основные компоненты интегрально-оптических устройств

Во всех случаях к материалу подложки предъявляются требования: механическая прочность; химическая инертность; высокая температура плавления или размягчения; минимальное отличие температурного коэффициента расширения (ТКР) подложки от ТКР остальных элементов устройства; технологичность изготовления и обработки; возможность создания поверхности оптического качества; в ряде случаев — изолирующие свойства и минимальный коэффициент поглощения и заданный показатель преломления.

Волновод. Требования к волноводам определяются функциями, выполняемыми в интегрально-оптическом устройстве и технологией их изготовления. К материалам волноводов предъявляют следующие требования: минимальный коэффициент поглощения в рабочем спектральном интервале; заданный показатель преломления; механическая прочность; минимальное отличие ТКР волновода от ТКР остальных элементов устройства; технологичность изготовления; в ряде случаев — специальные оптические свойства, например, наличие электрооптического эффекта, нелинейно-оптические свойства и др.

Устройства ввода и вывода оптического сигнала. Оптический сигнал может быть сформирован непосредственно в интегрально-оптическом устройстве и преобразован в электрический на выходе устройства. В этом случае для ввода и вывода оптического сигнала используются полупроводниковые лазеры и фотоприемники, встроенные в интегрально-оптическое устройство и оптически согласованные с волноводными структурами. В этом случае к материалам лазеров и фотоприемников предъявляются стандартные требования, обеспечивающие их оптические параметры и технологичность. Если оптический сигнал вводится в интегрально-оптическое устройство извне, например, из оптического волокна и выводится из устройства также в оптическом виде, материалы и устройства ввода и вывода оптического сигнала должны отвечать следующим требованиям: минимальные оптические потери; минимальное светорассеяние и отражение; возможность конструктивного, механического и оптического согласования с интегрально-оптическим устройством; технологичность изготовления.

Буферные, согласующие и защитные слои. К пленочным элементам интегрально-оптических устройств предъявляются следующие требования: высокие механическая прочность и адгезионная способность; химическая инертность; технологичность; заданный показатель преломления; в ряде случаев — специальные оптические свойства, например, высокий коэффициент поглощения, наличие электрооптического эффекта, нелинейно-оптические свойства, а также электроизолирующие свойства.

Вспомогательные элементы. Требования, предъявляемые к материалам вспомогательных элементов определяются их функциональной нагрузкой. Однако и для них справедливы общие требования, предъявляемые ко всем элементам интегрально-оптических устройств: механическая прочность; возможность конструктивного, механического и оптического согласования с интегрально-оптическим устройством; технологичность изготовления.

Материалы интегральной фотоники. Основные материалы устройств интегральной фотоники приведены на рис. 3. Монокристаллические диэлектрики и полупроводники. Монокристаллические диэлектрики и полупроводники используются в интегрально-оптических устройствах в качестве подложек, оптических волноводов, для изготовления источников излучения и фотоприемников.

Пленкообразующие материалы. Пленки диэлектриков, полупроводников и металлов широко используются для создания интерференционных фильтров, отражающих, просветляющих и защитных покрытий. Для создания тонких оптических слоев используются пленкообразующие материалы, т.е. материалы, способные при использовании определенной технологии формировать на поверхности гладкий, равномерный и плотный слой.

Материалы с низким показателем преломления (СаЕ2> М^2, 8Ю2) используются в качестве согласующих слоев. Пленки SiO2 и А1203, обладаю-

щие высокой химической инертностью, используются в качестве защитных покрытий. На основе пленок из материалов с высоким показателем преломления (ТЮ2, 2п0, изготавливаются планарные и полосковые волноводы. Пленки LiNbOз и ВаТЮз в интегральной оптике применяются для изготовления электроуправляемых оптических переключателей и коммутаторов оптических сигналов. Пленки металлов используются для формирования электродов и плазмонных волноводов. Толщина пленки определяется функцией, выполняемой в устройстве. Толщины буферных, согласующих и защитных слоев варьируются от 0.05 до 1 мкм. Толщины пленок, формирующих волновод, лежат в интервале 0.5 . 10 мкм.

Рис. 3. Основные материалы устройств интегральной фотоники

Для изготовления пленок используются методы вакуумного нанесения, золь-гель методы и методы эпитаксии. В методах вакуумного нанесения исходный материал, как правило, представляет собой таблетку, спрессованную из порошка. В золь-гель методах применяются растворы гидро-лизующихся неорганических соединений металлов или металлоорганиче-ские соединения. В технологиях, основанных на эпитаксии, исходные материалы используются в газообразном виде или в виде расплава.

При использовании методов вакуумного нанесения и золь-гель методов пленки получаются аморфными или поликристаллическими. Поэтому показатель преломления пленок, полученных этими методами, несколько меньше показателя преломления аналогичного объемного материала. Методы эпитаксии позволяют получать монокристаллические пленки. В этом случае показатель преломления пленки будет точно соответствовать показателю преломления объемного монокристалла.

Для формирования монокристаллических пленок в методах эпитаксии используются монокристаллические подложки с определенной кристаллографической ориентацией и периодом кристаллической решетки, близким к периоду решетки формируемой пленки.

Стекла. В интегрально-оптических устройствах стекла применяются в качестве подложек, оптических пленочных волноводов и слоев с различными функциональными свойствами.

По своему химическому составу стекла делятся на два основных класса: оксидные и бескислородные стекла (рис. 4).

Рис. 4. Основные классы стекол

Оксидные стекла представляют собой широкий класс оптических материалов, в котором наиболее важное место занимают силикатные, фосфатные и германатные стекла. В этих стеклах основой является соответственно SiO2, Р205 и GeO2, а в качестве добавок, определяющих свойства стекла используются оксиды металлов: №, К, В, А1, Ва, 2п и др. Достоинствами оксидных стекол являются их низкая стоимость, высокое оптическое качество, химическая устойчивость и механическая прочность.

К бескислородным стеклам относятся халькогенидные и галогенид-ные стекла. Основу халькогенидных стекол составляют сульфиды, селени-ды и теллуриды мышьяка и германия. Особенностью данного класса стекол является их высокий показатель преломления (п = 2,2 . 3) и прозрачность в среднем ИК диапазоне. На основе халькогенидных стекол создают оптические волноводы, волноводные голограммы, акустооптические и нелинейно-оптические устройства для интегральной оптики.

К галогенидным стеклам, в основном относятся фторидные и хлорид-ные стекла. Примерами фторидных стекол являются фтороцирконатные стекла, имеющие состав: 2^4-ВаР2-ЬаР3-АШ3-ЫаР, а также фтороиндиевые стекла состава: ВаР2-1пР3-ОаР3-ЬаР3-в№3. Такие стекла, легированные ионами редкоземельных металлов применяются для создания волноводных усилителей и конвертеров для преобразования ИК излучения в видимое. Хлоридные стекла, как правило, изготавливают на основе хлорида висмута с концентрацией BiQ3 до 75 %, например: №С1-Т1С1-РЪС12-ВЮ3 или КВг-РЪС12-ВЮ3. Такие стекла прозрачны в спектральном интервале до 14 мкм и имеют высокий показатель преломления (п = 1,95.2,3). Особенностью висмутсодержащих хлоридных стекол является их ярко выраженная оптическая нелинейность.

Оптические ситаллы. Оптические ситаллы представляют собой гете-рофазные стекла с микрокристаллической фазой (рис. 3). Они имеют высокие механическую и термическую прочности, химическую устойчивость и низкий температурный коэффициент линейного расширения. Оптические ситаллы изготавливаются на основе оксидных силикатных стекол путем введения в стекло при варке компонентов, склонных к образованию кристаллической фазы, и последующей термообработки стекла. Примером оптического ситалла является алюмосиликатная система Li2O-Al2O3-TiO2-SiO2, в которой микрокристаллическая фаза образована А^3.

В интегральной оптике ситаллы могут использоваться в качестве подложек для интегрально-оптических схем. В ситаллах методом ионного обмена могут быть созданы оптические волноводы. Пленочные волноводы из ситаллов могут также изготавливаться золь-гель методами.

Композитные материалы. Оптический композит — это среда, состоящая из двух и более компонентов (рис. 3). Как правило, композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в которой находятся мелкие частицы материала с иными оптическими свойствами. В качестве матрицы используются стекла, полимеры, жидкости. Важным свойством композитов является возможность варьирования в широких пределах их оптических свойств, как линейных, так и нелинейных. Это позволяет создавать новые оптические материалы, свойства которых существенно отличаются от свойств входящих в них компонентов.

Металлы. Металлы в интегральной оптике, как правило, используются в виде тонких пленок. Из металлов с высокой проводимостью формируют электроды для оптических переключателей и коммутаторов, управляемых электрическими сигналами, для фотоприемников и источников излучения. Благородные металлы (Ag, Аи) в виде тонких пленок применяются для создания плазмонных волноводов и других плазмонных оптических устройств -концентраторов, резонаторов, наноантенн и т.д.

Технологические методы изготовления волноводных структур. Выбор технологии изготовления волновода для интегральной оптики опреде-

ляется материалами волновода и подложки, геометрией волновода и профилем показателя преломления сердцевины волновода. На рис. 5 показаны основные технологические методы и процессы, применяемые для изготовления планарных и полосковых волноводов.

Рис. 5. Технологии изготовления оптических волноводов

Для создания сложных многокомпонентных устройств интегральной оптики, как правило, используют сочетание нескольких методов и технологий. Для создания волноводных структур в большинстве случаев применяют методы фотолитографии. Обобщенная схема технологического процесса изготовления интегрально-оптического устройства показана на рис. 6. Процесс начинается с изготовления подложек и включает изготовление материала подложек, резки и шлифовки заготовок и их окончательную полировку. Затем проводится изготовление слоев с высоким показателем преломления и создание на подложке волноводов заданной конфигурации с помощью фотолитографии. (В зависимости от конструкции конкретного интегрально-оптического устройства в процесс могут вводиться дополнительные операции, в том числе, изготовление буферных слоев. В этом случае реализуются дополнительные этапы фотолитографии).

Рис. 6. Технологический процесс изготовления интегрально-оптического устройства

Затем проводится изготовление согласующих и вспомогательных слоев. Каждый из этих этапов включает в себя фотолитографию. При создании слоев сложной конфигурации и многослойных конструкций каждый этап может повторяться несколько раз (на рисунке повторы показаны пунктиром).

Методы вакуумного напыления используются для создания волноводов в виде тонких пленок, а также для нанесения тонкопленочных покрытий на волноводы. Суть методов вакуумного нанесения заключается в том, что в вакууме создают поток атомов или молекул, которые, осаждаясь на подложки в виде тонкого равномерного слоя, формируют планарные волноводы.

Существует ряд методов вакуумного напыления пленок материалов, отличающихся способом создания потока атомов, ионов или молекул материала (рис. 7).

Рис. 7. Основные методы вакуумного напыления

Выбор метода определяется теплофизическими и химическими свойствами наносимого материала и требованиями к характеристикам пленки. Методы вакуумного нанесения пленок позволяют создавать волноводы со ступенчатым профилем показателя преломления.

Для формирования планарных оптических волноводов из монокристаллических материалов используют технологии эпитаксии — ориентированного роста слоев, кристаллическая решетка которых повторяет кристаллическую структуру подложки. Если подложка и слой состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, а если из различных — гетероэпитаксиальным. Если эпитаксия происходит в результате химического взаимодействия вещества подложки с веществом растущего слоя, то такой процесс называется хемоэпитаксией. Существует целый ряд технологических методов и приемов эпитаксии, позволяющих вырастить монокристаллические слои полупроводников и диэлектриков на монокристаллических подложках. Основные методы эпитаксии представлены на рис. 8.

Фотолитографические процессы занимают важное место в технологии изготовления интегрально-оптических устройств. По продолжительности и трудоемкости на них приходится до 50 % времени и трудовых затрат. Фотолитография была разработана для нужд микроэлектронной промышленности и, в основном, ориентирована на обработку полупроводников, в первую очередь кремния. Однако, практически все методы и приемы фото-

литографии могут быть использованы для изготовления устройств интегральной оптики, тем более, что кремний широко используется для изготовления оптических волноводов, оптических переключателей, фильтров, интегральных микромеханических устройств и других волноводных функциональных узлов.

Рис. 8. Методы эпитаксии

В последние годы начало развиваться новое технологическое направление — формирование волноводов в стеклах лазерным излучением. Данный метод основан на необратимом изменении показателя преломления некоторых стекол под действием лазерного излучения. Для записи волноводов используется сфокусированный лазерный пучок, который движется вдоль подложки. Фокус пучка может находиться вблизи поверхности подложки, либо в глубине стекла. В зависимости от этого формируется либо внедренный волновод, либо погруженный в стекло. Для записи волноводов могут использоваться специальные фоточувствительные и фоторефрактив-ные стекла. Запись волновода может проводиться непрерывным или им-пульсно-периодическим излучением. При использовании фемтосекундных лазерных импульсов волновод может быть сформирован и в других типах стекол, например кварцевом, фторидном и германатном стеклах. Достоинством данного метода является его технологическая простота и отсутствие трудоемких фотолитографических процессов. Необходимо отметить, что методом лазерной записи в стеклах могут быть сформированы не только оптические волноводы, но и дифракционные решетки, голограммы, микролинзы, амплитудные и фазовые транспаранты и другие оптические элементы.

Изготовление даже простейшего интегрально-оптического устройства является сложным, многоступенчатым, длительным и дорогостоящим технологическим процессом с использованием сложного технологического оборудования и большого количества вспомогательных материалов. Однако, технологии микроэлектроники и интегральной оптики рассчитаны на одновременное изготовление большого количества устройств. Так, на каждом этапе технологического процесса одновременно может обрабатываться до не-

скольких десятков подложек, каждая из которых содержит от сотен до тысяч интегральных устройств. Все процессы, включая промежуточный контроль, автоматизированы. Поэтому, несмотря на сложность технологического процесса, себестоимость отдельного устройства оказывается невысокой.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Основы волновод-ной фотоники. — М.: МГОУ 2009. — 246 с.

2. Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Математические основы волноводной фотоники. — М.: МГОУ, 2010. — 224 с.

3. Андросик А.Б., Воробьев С.А., Мировицкая С.Д. Волноводная и интегральная фотоника. — М.: МГОУ, 2011. — 370 с.

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЛОНГИРОВАННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ КОНЕЧНЫХ ПОЛЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА

Ставропольский государственный университет, г. Ставрополь

В статье предлагается математическая модель системы пролонгированной безопасности, основанная на использовании полей Галуа специального вида для периодического обновления секретных ключевых параметров.

Одним из наиболее перспективных направлений развития современной криптографии является разработка систем пролонгированной безопасности, основанных на совместном применении пространственного разделения и периодического обновления секретной информации.

Предложим математическую модель системы пролонгированной безопасности, в которой периодическое обновление секретных данных осуществляется с помощью «блуждающих» ключей.

Для разделения общего секретного ключа я0 выберем (п, к)-пороговую схему разделения секрета (СРС) из [1], которая задается следующими параметрами:

1. Число абонентов системы — п; пороговое число разделяемых элементов — к.

2. Характеристические числа абонентов: , где е Ы, НОД(ш„ т3) = 1 для любых /,] (/ Ф], I = 1, п,] = 1, п).

* Доцент кафедры Высшей алгебры и геометрии, кандидат физико-математических наук, доцент.

Лазерная маркировка материалов

Маркировка деталей и узлов – один из важных процессов в современном производстве. Отсутствие маркировки затрудняет (а в ряде случаев делает невозможным) контроль качества и объема выпускаемой продукции.

Маркировка нужна производителю для продвижения его торговой марки, а потребителю – как гарантия качества и источник информации о параметрах продукции. Все это требует совершенствования методов маркировки, не влияющих на свойства маркируемых деталей и изделий.

Из существующих способов маркировки лазерная маркировка – наиболее современный, технологичный и гибкий метод, позволяющий управлять лазерным излучением (во времени и в пространстве), регулировать его энергию.

При использовании лазеров различной длины волны круг маркируемых материалов очень широк: металлы, пластик, полупроводники, резина, кожа, спецсплавы, дерево и т.д. Маркировка осуществляется точно, быстро и качественно.

Оборудование и технологии лазерной маркировки

На сегодня, несмотря на многообразие лазеров, реальное коммерческое применение для маркировки получили системы с твердотельными лазерами с длиной волны 1,06 мкм и СО2-лазерами (10,6 мкм).

Сканаторные и портальные системы, отличие

Современный лазерный комплекс для маркировки содержит, как правило: управляющий компьютер, источник излучения, системы передачи, перемещения и контроля параметров излучения. Для промышленного применения используют лазерные маркеры со сканаторными и портальными системами развертки луча [1] (рис.1).

• Сканаторы (или устройства сканирования) перемещают лазерный луч со скоростью до 6 м/с и обеспечивают точность отслеживания контура до 1,5 мкм. Их объективы позволяют обрабатывать изделия и поверхности размерами до 250х250 мм, хотя обычно для маркировки достаточно поля 100х100 мм. Современные двигатели и новые технические решения обеспечивают скорость перемещения луча в портальных системах до 3,5 м/с при высокой точности повторения контура.
• При этом портальные системы работают на поле порядка 750х450 мм. Сканаторы с успехом используются как для твердотельных, так и для СО2-лазеров. Портальные системы используются в основном для СО2-лазеров. Это связано с особенностями фокусировки излучения различной длины волны [2], которая накладывает ограничения на размеры рабочего поля и на возможность комбинации системы развертки с конкретным лазерным излучателем.

Отметим, что сканаторы одинаково легко (благодаря меньшим моментам инерции) обеспечивают как векторный, так и растровый режимы маркировки.

Портальные системы имеют лучшие показатели при растровом режиме маркировки.

Существуют и другие способы формирования изображения, например масочные или построенные на вращающихся полигонах. Однако такие системы не универсальны и разрабатываются для конкретного применения.

Лазеры, интегрируемые в системы и станки, должны иметь широкой диапазон, линейность и монотонность изменения параметров, стабильность характеристик излучения.

СО2-лазеры

Отпаянные СО2-лазеры с высокочастотной накачкой – основные типы излучателей для маркирующих систем на базе СО2-лазеров. Они имеют небольшие габариты, легко встраиваются в различные системы, удобны в управлении и обеспечивают мощность 100–200 Вт (при плотности мощности излучения в зоне контакта с материалом не выше 105 Вт/см2).

В СО2-лазерах импульсы излучения формируются с помощью широтно-импульсной модуляции так, что уровень импульсной мощности не может превышать мощность непрерывного излучения. Другие типы СО2-лазеров (в том числе и более мощные) не применяются в маркировочных системах из-за больших габаритов и высокой стоимости.

Ввиду таких ограничений СО2-лазеры используются в основном для маркировки неметаллических материалов или металлов с неметаллическим покрытием (окрашенных, анодированных и проч.). Для этих лазеров существует технология маркировки металлов с предварительным нанесением специальной пасты или составов, например LMM-14, и их последующим удалением, но она не нашла широкого применения. Примером систем на базе СО2-лазеров могут служить станки «Лазерного Центра» типа «С-Маркер» (рис.2а) и компании TROTEC серии «SPEEDY 300» (рис.2б).

Рис.2 Лазерные маркирующие системы на базе СО2-лазеров:

а) система «С-Маркер» со сканаторной разверткой

б) система Trotec SPEEDY 300 с портальной разверткой

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры (в отличие от лазеров на СО2) за счет модуляции добротности могут генерировать мощные импульсы высокой частоты (до десятков кГц) при низкой средней мощности излучения (десятки ватт), обеспечивая плотность мощности излучения в зоне контакта на уровне (1–5)*10 8 Вт/см2 и более [3]. Такие параметры обеспечивают интенсивное воздействие излучения на материал при минимальном общем его нагреве. Это позволяет применять твердотельные лазеры для маркировки металлов, тугоплавких сплавов и сталей, высокотвердой керамики в различных отраслях промышленности.
Примером могут служить выпускаемые «Лазерным Центром» станки для лазерной маркировки «БетаМаркер-2010», «ДиоМаркер-Д10» и «МиниМаркер-М10» (рис.3), характеристики которых сведены в табл.1 (здесь ОВ – оптоволоконный).

Рис.3 Вид установок с твердотельным лазером для маркировки и гравировки:

а) «МиниМаркер-М10» на базе ОВ Yt-лазера;

б) «ДиоМаркер-Д10» на базе Nd:YAG-лазера с диодной накачкой;

в) «БетаМаркер-2010» на базе традиционного Nd:YAG-лазера с ламповой накачкой

Несмотря на различия характеристик, все указанные типы лазеров с успехом могут применяться в станках для маркировки разных материалов. В целом, параметры лазерных излучателей будут аналогичны представленным в табл.1.

Таблица1.
Характеристики излучения твердотельных лазеров маркирующих систем:

БетаМаркер-2010	ДиоМаркер-Д10	МиниМаркер-М10
Марка излучателя	Б-2010	DPSS-10	ILP-05/100/20
Тип излучателя	Nd:YAG-лазер	Nd:YAG-лазер ОВ	Yt-лазер
Устройство накачки	Ксеноновая лампа	Диодная линейка	Набор диодов
Характеристики излучателей:
Характеристики излучателей: Длина волны, мкм	1,064	1,064	1,05–1,07
Максимальная мощность, Вт	16	10	10
Энергия в импульсе, мДж	5	1,5	0,5
Длительность импульса, нс	1000	20–70	100
Частота следования импульсов, кГц	0,1–20	1–80	20–100
Потребляемая мощность, кВт	5	1	0,7

Заказчик имеет возможность выбора между различными типами систем.

Для заказчика оборудования важны не только их характеристики, но и потребительские и эксплуатационные свойства. Сегодня преобладают лазерные системы, выполненные на лазерах с диодной накачкой, к которым относятся и ОВ-лазеры (оптоволоконные лазеры). Такая накачка гарантирует 10000–30000 часов бесперебойной работы, тогда как лучшие лампы накачки требуют замены каждые 500–1000 часов.

Системы для маркировки на базе лазеров с диодной накачкой (к ним относятся волоконные) значительно компактнее, легче, проще в обслуживании и гораздо надежнее систем с ламповой накачкой. Они потребляют гораздо меньше электроэнергии и, как правило, не требуют водяного охлаждения, что и обеспечивает им коммерческий успех.

Процесс лазерной маркировки состоит в модификации поверхности материала под действием лазерного излучения.

Лазерное излучение вызывает локальный разогрев, плавление и частичное испарение материала в области, ограниченной размерами пятна излучения, что обусловливает высокую степень разрешения при небольшом термомеханическом воздействии на маркируемое изделие. Применение ВЧ-излучателей и скоростных систем развертки позволяет получать качественные цифро-буквенные и графические изображения на материале изделий. Технология лазерной маркировки имеет следующие преимущества:

• широкую номенклатуру маркируемых материалов;
• отсутствие механического (при минимальном термическом) воздействия на изделие;
• высокая точность, контрастность и стойкость наносимых изображений;
• большая скорость и производительность процесса;
• возможность маркировки в труднодоступных местах.

Эти преимущества определяют широкое применение лазерной маркировки в промышленности.

Применение лазерной маркировки:

Лазерная маркировка применяется в различных отраслях промышленности, являясь универсальным методом нанесения информации на детали и изделия. Рассмотрим некоторые общие примеры:

Маркировка изделий массового производства.

Маркировка изделий массового производства наиболее эффективная область применения лазерной маркировки. Учитывая минимальность воздействия на материал, можно наносить информацию на готовое изделие (после его тестирования) без дополнительных операций. Так как любое изделие массового производства всегда имеет разброс параметров (по какому-то закону), то предварительная сортировка и последующая маркировка уже готового узла дает возможность совместить реальные параметры изделия (класс, сорт, точность и т. д.) с тем, что заявляет производитель. Это позволяет точно позиционировать товар в ценовой группе и максимально извлекать прибыль от реализации качественной продукции потребителю. Маркировка как финишная операция готового изделия позволяет отказаться от диспетчеризации потоков деталей при производстве, что ведет к экономии ресурсов.
Маркировка может наноситься на готовое изделие. Это дает производителю возможность маркировать продукт после его сортировки тем логотипом, что используется тем или иным держателем торговой марки. Последнее обеспечивает точное соответствие продукции требованиям данной марки, работая на престиж производителя. Нанесение информации (спецзнаков) непосредственно на изделие, позволяет также обеспечить высокую степень защиты изделий от подделки.

Лазерная маркировка изделий массового производства применяется при производстве подшипников, часовых механизмов, микросхем, форсунок двигателей и деталей автомобилей.

Маркировка серийных изделий с оперативно изменяющейся информацией.

Маркировка серийных изделий с оперативно изменяющейся информацией – одна из проблем, которые могут быть легко решены с помощью лазерной маркировки. Управляемость лазерного излучения позволяет наносить динамически меняющуюся информацию об изделии, хранящуюся в компьютере: номера партии и изделия, дату и время выпуска. Аналогично можно маркировать телефонные и другие пластиковые карты, внося, например, комбинации номера карты, данных чипа, информации о заказчике и др. Так же эффективно решаются подобные задачи при производстве информационных табличек для сборных изделий и механизмов (автомобили, двигатели), тепловыделяющих элементов, продукции пищевой промышленности.

Маркировка изделий с повышенными требованиями к стойкости маркировки.

Маркировка изделий с повышенными требованиями к стойкости маркировки – еще одна задача, успешно решаемая с помощью лазерной маркировки. Уникальные свойства лазерного излучения и выбор собственно материала позволяют совместить высокую стойкость маркировки и сохранение свойств маркируемого изделия. Это важно при маркировке клавиатур компьютеров, пластиковых деталей автомобилей, телефонных и других кнопок , а также при внедрении системы качества ИСО, требующей от производителя гарантировать «прослеживаемость» изделия в течение нескольких (трех) лет.

Маркировка штрихкодов.

Маркировка штрихкодов на изделии позволяет автоматизировать процесс учета и контроля и обеспечивает высокую степень защиты изделий от подделки. Традиционными методами нанесение штрихкодов на промышленные изделия практически невозможно. В этом случае лазерная маркировка имеет бесспорное преимущество. Разработанные технологии позволяют сегодня обрабатывать различные типы одномерных штрихкодов – EAN, ITF, бар-код 39, двумерных кодов – PDF 417 и др. Высокое разрешение лазерной маркировки дает возможность наносить штрихкоды на металлические, пластмассовые и другие изделия.

Маркировка позволяет заменить традиционные методы нанесения информации. В предыдущих случаях акцентировалось внимание на уникальных особенностях лазерной маркировки. Однако она может также эффективно применяться и для замены ударного и электрохимического методов маркировки инструмента, деталей машин и механизмов, панелей приборов, станков, оружия и проч.

Новые возможности современных лазерных систем для маркировки

Наряду с традиционными, интересны и новые технологические возможности маркировки материалов, которые дают современные излучатели, в частности ОВ-лазеры. Их особенность – в существенно более высоком качестве лазерного пучка.

Все твердотельные лазеры, используемые для маркировки, имеют (см. табл.1) несколько оптимизируемых параметров: частоту и длительность импульса, распределение мощности по пятну нагрева и т.д.

Известно, что для лазеров, например с ламповой накачкой (система типа «БетаМаркер-2010»), оптимальный диапазон частоты при маркировке металлов составляет 2–5 кГц, а использование такой частоты в ОВ-лазере (система «МиниМаркер-М10») вообще невозможно. Если, например, сравнивать режимы маркировки в разных системах при одинаковой мощности лазерного излучения, то корректного результата мы не получим, так как временные и энергетические характеристики импульсов различны, не говоря о существенных различиях пространственных характеристик излучения.

а) «МиниМаркер-М10» на базе ОВ Yt-лазера

б) «ДиоМаркер-Д10» на базе Nd:YAG-лазера с диодной накачкой

в) «БетаМаркер-2010» на базе Nd:YAG-лазера с ламповой накачкой

На рис.8 показано состояние поверхности нержавеющей стали после маркировки вышеупомянутыми системами при нормированных условиях обработки (одинаковое перекрытие пучков, визуально похожий результат воздействия).

Видно, что рисунки структуры после обработки имеют существенные отличия.

ОВ-лазер («МиниМаркер-М10»), имея высокостабильные пространственно-временные характеристики излучения, формирует четкую, ярко выраженную симметричную структуру (рис.8а).

Некоторое нарушение периодичности структуры связано, видимо, с высокой пиковой мощностью излучения и с нестабильностью, вызываемой процессами плавления и выноса продуктов разрушения из зоны взаимодействия при формировании «точки» на металле.

Рис.8 наглядно демонстрирует различия современных лазеров при маркировке металлов и дает возможность оценить возможности каждой из систем. Можно ожидать, что лазер с диодной накачкой (особенно ОВ-лазеры) обеспечат существенное улучшение изображений за счет высокого разрешения.
Изображение высокого разрешения получается при использовании систем «МиниМаркер-М10» (ОВ-лазер) и «ДиоМаркер-Д10» (рис.9). При этом качество растровых картинок, выполненных на металле у систем с ОВ-лазером, несколько выше, как и следовало ожидать из анализа рис.8.

Нужно отметить, что использование лазерных излучателей с диодной накачкой для маркировки мелкоразмерных векторных изображений на металле предпочтительнее по сравнению с ОВ-излучателем. Это объясняется тем, что при отработке векторного алгоритма в точках смены направления движения система развертки работает по принципу «торможение-остановка-разгон». При этом количество тепла, вводимого волоконными лазерами, существенно больше, чем лазерами с диодной накачкой,– учитывая разницу в диапазоне частот. У ОВ-лазеров минимальная частота существенно выше, чем у лазеров с диодной накачкой, что вызывает в этих местах больший перегрев материала. Это приводит к нарушению геометрии при маркировке векторного изображения малого размера, особенно когда необходимо получить глубокую гравировку. Глубокое изображение малого размера проще реализовать лазером с диодной накачкой, так как он использует более низкие частоты. При решении аналогичной задачи ОВ-лазером в местах смены направления движения включают функцию понижения/повышения мощности в соответствии с изменением скорости, но это усложняет технологию и оборудование. При относительно больших размерах изображений существенного различия между системами нет. Однако производительность у ОВ-лазера выше за счет более высоких частот.

При гравировке изображений с высоким разрешением на пластике существенных различий между системами с ОВ-лазером и Nd:YAG-лазером с диодной накачкой нет. В обоих случаях качество маркировки очень высокое.

Эффект цветной маркировки некоторых металлов и сплавов формируется стандартными режимами только у систем с ОВ-лазерами.

Стабильность пространственно-временных характеристик излучения этих лазеров дает возможность точно дозировать энергию пучка и формировать четкие структуры на поверхности металла с небольшим разбросом геометрических параметров. Именно высокое качество и стабильность характеристик излучения позволяют получить устойчивый эффект цветной маркировки. Отметим, что цветная маркировка может быть получена и у лазеров с диодной и даже с ламповой накачкой. Однако этот эффект неустойчивый («плавающий») и трудно воспроизводимый. Условие постоянства интегральной температуры является, видимо, необходимым, но для получения эффекта цветной маркировки, требуются еще какие-то условия, связанные с пространственно-временными характеристиками излучения и их стабильностью. Именно эти последние условия выполняются у ОВ-лазеров, что и определяют возможность получения цветной маркировки.
Эффект цветной лазерной маркировки и возможность его использования требуют дальнейших исследований и изучения, однако уже можно твердо говорить о нем, как о новой технологии.

Источники, полная версия:

• статья Лазерная маркировка материалов на сайте журнала Фотоника.

• Технология создания поверхностных микроструктур на листовых материалах с использованием волоконного лазера.
• Метод изменения цвета поверхности титана при локальном окислении наносекундными лазерными импульсами
• Анализ технологических возможностей лазерно-гравировальных комплексов

Лазерные источники света на основе галоидных перовскитов

Международный коллектив учёных (включая сотрудников ИТМО и ДВФУ) разработал оптические микродисковые лазеры на тонких перовскитных плёнках, применив метод лазерной абляционной печати. Это шаг вперёд к конструированию фотонных наноприборов и микросенсорных приложений.

Для создания дисковых микролазеров с использованием технологии абляционной лазерной печати нужны низкопороговые активные материалы с относительно высокими значениями показателя преломления и хорошей устойчивостью к образованию безизлучательных дефектов. Как оказалось, галоидные перовскиты наилучшим образом подходят для этого применения. На основе этого материала при помощи передовых методов лазерной фабрикации были изготовлены образцы микродисковых лазеров с высокой эффективностью генерации в одночастотном режиме. Благодаря выполненному численному моделированию и экспериментальным данным, полученным в ходе наблюдения за микродисками из перовскитных композиций, российскими и зарубежными специалистами были получены перспективные результаты, которые опубликованы в международном авторитетном издании ACS Nano (2019).

Члены большого авторского коллектива – Алексей Жижченко (к.ф.-м.н., научный сотрудник Центра НТИ по нейротехнологиям, технологиям виртуальной и дополненной реальности ДВФУ), Сергей Макаров (д.ф-м.н., старший научный сотрудник, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО) и Анвар Захидов (профессор Университета Техаса в Далласе, соруководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО) – рассказали, как проходила их работа: изготовление микролазеров, тестирование и выявление их эффективности. Ученые фокусировали внимание на производительности микродисковых одночастотных лазеров, используя их очевидные преимущества.

«В этом исследовании мы предложили высокопроизводительный метод лазерной печати микролазеров из тонких пленок нового материала – галоидного перовскита и собрали для его реализации международную команду ученых из ДВФУ, ИТМО, ИАПУ ДВО РАН, ИСОИ РАН, Техасского Университета и Австралийского Национального Университета», — сообщил Сергей Макаров.

По замечанию российского физика из Университета ИТМО, «современная нанофотоника стремится создать новую элементную базу для оптических компьютеров, которые, как ожидается, вскоре заменят их электронные аналоги, работающие на тактовых частотах не выше нескольких гигагерц. Действительно, заменив электроны фотонами, станет возможным сделать работу процессоров на порядки быстрее. Однако основной проблемой на пути к этой цели является относительно большой размер оптических элементов для управления фотонами. В первую очередь, необходимо уменьшение источника оптического сигнала – создание предельно компактного лазера, стоимость которого при этом будет достаточно низкой для массового производства».

Дальневосточный учёный Алексей Жижченко, добавил, дополнив ответ коллеги: «Интересно, что молекулярная структура органо-неорганических перовскитов обладает высокой устойчивостью к образованию «вредных» дефектов, которые ухудшают лазерные характеристики материала. Эта особенность позволила нам применить такой метод изготовления микролазеров, который не подходит для других типов лазерных материалов из-за их «хрупкой» структуры. А именно мы применили метод лазерной абляционной печати, когда лазерный луч со специальным кольцеобразным распределением интенсивности испаряет материал (плёнку перовскита) так, что за один или несколько вспышек лазера на его поверхности формируется микродиск. При определённых условиях освещения этого микродиска ярким источником света он начинает генерировать когерентное излучение, т.е. является микролазером. Представленный в нашей работе метод позволяет легко «печатать» лазером такие микродиски в любом заданном месте на плёнке перовскита, объединяя их в большие массивы, что требуется для создания фотонных устройств. При этом оказалось, что характеристики изготовленных таким простым способом микролазеров ни уступают характеристикам лучших перовскитных микролазеров, изготовленных другими группами учёных, но значительно более сложными методами».

В академической среде, как правило, в ходе активной научной работы между убедительно построенной теорией и попыткой обоснованного подтверждения рождаются новые замыслы или гипотезы.

«Идея о печати микродисков пришла во время очередного, но непродолжительного визита Сергея Макарова из университета ИТМО в нашу лабораторию, расположенную в кампусе ДВФУ. Он активно занимается фотовольтаикой и фотоникой на основе перовскитов, а мы сконцентрированы на лазерных технологиях в нанооптике. На тот момент мы активно проводили исследования физики процессов лазерной абляции с использованием вортексных пучков, которые как раз имеют кольцевое распределение интенсивности. Ну и по понятным причинам мы решили попробовать записать диски на поверхности плёнок перовскита, которые должны работать как микролазеры, тем более опыт Сергея в перовскитных лазерах подсказывал, что у нас всё должно получиться, – сказал Алексей Жижченко, а затем описал, как шёл научный поиск коллег-единомышленников и поделился впечатлениями о достижениях, – В итоге мы напечатали за день тысячи лазеров разных размеров, во всевозможных режимах абляции, и параллельно собирали установку для измерения лазерных характеристик. И вот на следующий день, как раз накануне отлёта Сергея в Петербург, мы тестируем диски, а они не работают. Первый диск — нет, второй — нет, третий… сотый тоже нет… и наконец, спустя нескольких часов поиска, примерно за 5 — 10 минут перед отъездом Сергея на экране спектрометра мы видим высокую узкую линию, на порядок возвышающуюся над уровнем люминесценции. Это первый признак лазерной генерации – сужение спектральной полосы фотолюминесценции и увеличение спектральной плотности сигнала. Для нас это был праздник в тот день, ведь мы осознавали, что впервые в мире наблюдаем генерацию перовскитного микролазера, напечатанного другим лазером. Как впоследствии оказалось, что микролазеры хорошего качества можно создать лишь в относительно узком диапазоне параметров фабрикации, соблюдение которых гарантирует отличную повторяемость лазерных характеристик напечатанных микродисков».

Что представляют собой галоидные перовскиты и каковы их уникальные физико-химические свойства разъяснил другой участник исследования, профессор Анвар Захидов их Университета Техаса: «Галоидные перовскиты – это новое семейство материалов с молекулярной структура типа ABX₃(показанной на Рис.1). Конечно, первый материал с подобной структурой – титанат кальция (TiCaO₃) – был открыт давным-давно на Урале в 1839 году, во времена Льва Перовского, в честь которого и назван перовскитом, но только в новом классе – органо-неорганических перовскитов, катион A оказывается органической молекулой, например, CH₃NH₃+, известная как MA-метиламмоний. Они обладают уникальными свойствами, и отчасти от того, что указанная органическая молекула может не только поместиться в свободное пространство между восьмигранниками, образованными атомами свинца и йода (PbI₆на рис.1), но и может там даже вращаться.

Чем обусловлен научный интерес физиков к гибридным органо-неорганическим перовскитам?

Профессор Анвар Захидов дал развёрнутый комментарий: «С точки зрения фундаментальной физики, здесь множество загадочных свойств, на которые пока нет чёткого ответа. Все известные до сих пор полупроводники — кремний, германий, арсенид галлия или сульфид кадмия — являются ковалентными материалами, а наш органо-неорганический перовскит – это ионный кристалл, в котором ионы, например, MA + и, в особенности I — , могут мигрировать под действием электрического поля или при облучении светом. Видимо это медленное движение ионов (включая вращение) создаёт новые условия (формирование внутренних p-i-n барьеров), неизвестные в обычных полупроводниках. Но, по-видимому, собрать по деталям полную физическую картину поведения ионных полупроводников с подвижными органическими дипольными молекулами ещё только предстоит.

Именно такими эффектами мы будем заниматься в нашем новом проекте в рамках гранта РНФ: возможность в одном приборе сочетать более двух функций, мы думаем, может быть получена за счёт динамического управления движением ионов. И не только своих собственных, но и внесённых в перовскит искусственно. Мы уже создали бифункциональные приборы, которые могут быть одновременно и солнечными батареями, которые днём собирают энергию солнца, и светоизлучающими панелями, вечером освещающими улицы, в зависимости от приложенного на них напряжения».

Тем не менее органо-неорганические галоидные перовскиты не лишены недостатков. Подводя итог профессор Анвар Захидов отметил, что «всё это, конечно, звучит очень привлекательно, но за все эти чудеса матери Природы, которыми она одарила эти уникальные новые материалы придётся и платить – эти материалы неустойчивы, они быстро деградируют на воздухе и во влажной атмосфере. Более того, они портятся от тепла или ультрафиолетового излучения. И кроме всего прочего, внутренне нестабильны. Это обратная сторона медали – удивительная способность лёгкой динамической изменчивости свойств материала связана с его нестабильностью. И впереди ещё предстоит большая работа, чтобы научиться управлять стабильностью материала, повышая долговременность работы приборов перовскитной оптоэлектроники, и пока это задача больше для физиков и химиков, чем инженеров и технологов».

Чтобы изготовить перовскитные лазеры, учёные сначала напечатали микродиски в плёнке перовскита (Процесс лазерной печати диска показан на рисунке 2а).

По словам физика из ДВФУ Алексея Жижченко, «такие микродиски являются резонаторами, изготовленными из лазерного материала, и при достаточной энергии накачки внутри микродиска происходит генерация лазерного излучения, которое выходит из него через боковые стенки (на рис.2г видно, как красные лучи света вырываются из диска). В этой пионерской работе для накачки таких микролазеров мы использовали излучение от другого лазера, которое фокусировалось непосредственно на изготовленных дисках снизу, через стеклянную подложку.

При этом при выбранной длине волны накачки (зелёного цвета) длину волны лазерного излучения мы можем настраивать от жёлто-зелёного до инфракрасного диапазона за счёт модификации химической структуры плёнки перовскита, из которой печатаются диски. Конечно же, оптическая накачка такого типа пригодна только для лабораторных исследований, которой достаточно для проведения всех необходимых экспериментов с микролазерами, но совершенно не может быть использована для создания готовых устройств. Поэтому предстоит ещё разработать доступные методы накачки таких микролазеров, например, при помощи электрического тока, и первые шаги в этом направлении уже сделаны».

Лазерная печать микродисков осуществляется при помощи метода абляционной печати (рисунок 2а). То есть, как объяснил Алексей Жижченко, «под действием сфокусированных в точку ультракоротких лазерных импульсов, происходит сверхбыстрый разогрев маленькой области на поверхности плёнки перовскита до таких высоких температур, что происходит практически мгновенный переход облучённой области в газообразное состояние или плазму с последующим удалением. В результате, на поверхности можно сформировать микро-ямку. И так сканируя, лазерным лучом по поверхности плёнки перовскита можно сформировать рисунок в виде кольца. Мы же поступили несколько иначе, мы сразу сформировали кольцеобразный лазерный пучок, который за один импульс в материале формирует кратер сразу в виде кольца (как показано на рисунке 2д). А за счёт изменения энергии или количества импульсов, вложенных в одну область на поверхности образца, можно регулировать глубину этого кольцеобразного кратера».

Принцип действия такого нового метода, внедрённого российскими специалистами, существенно отличается от наноимпринтинга. Он не разрушает структуру перовскита и является прямым методом микрофабрикации. Основное его преимущество, по словам сотрудника ДВФУ в том, что «микролазеры можно напечатать в каком угодно месте на подложке, при этом геометрия подложки может быть тоже практически какой угодно. Например, можно напечатать микролазер на торце волоконного световода диаметром с человеческий волос. А наноимпринт литография так не может, для неё нужна идеально плоская подложка. Лазерную абляционную печать также можно отнести к экспресс-методу фабрикации вследствие высокой скорости печати и быстрой загрузки образца, поскольку для печати лазеров не нужно вакуумных постов, достаточно простой газовой ячейки с сухим воздухом».

Кроме того, метод лазерной печати удобен как в лабораторных условиях, так и на промышленном производстве при изготовлении небольших партий микролазеров (на рис.2б и 2в показан массив микролазеров, изготовленный за несколько минут на площади более 1 см 2 ). «Наноимпринт литография — это чисто промышленный тип производства, когда мы сначала создаём очень дорогой штамп с привлечением других методов литографии, обычно электронно-лучевой, а затем используем его для печати устройств. На таком штампе могут быть выдавлены сразу миллиарды микролазеров, а может быть и всего один, поэтому в этом случае стоимость, что одного микролазера, что и миллиарда микролазеров будет примерно одинаковой. И поэтому становится понятно, что для изготовления небольшой партии лазеров никто наноимпринт литографию использовать не будет. Но, тем не менее, это иногда приходится делать в исследовательских целях», — отметил Алексей Жижченко.

Такой простой способ позволяет изготавливать микродиски, которые смогут обеспечивать работу фотонных интегральных схем для сверхбыстрой обработки информации. Также он демонстрирует возможность создания одночастотных дисковых микролазеров за счёт селекции лазерных мод шепчущей галереи, которые перспективны для создания сенсоров. Алексей Жижченко подробно разъяснил, что это означает. Термин «режим шепчущей галереи» пришел в оптику из акустики и означает эффект распространения звука на большие расстояния вдоль изогнутых стен за счёт эффектов многократного отражения (например, в круглых галереях, где находясь возле стены свой шёпот можно услышать у себя за спиной из-за того, что он обходит весь периметр помещения практически без затухания).

«Таким же образом ведёт себя свет внутри сферических или цилиндрических объектов (микродисков), каким-то образом направленный вдоль изогнутой границы, — сказал российский физик, — В самом простом случае можно представить, что он распространяется по круговой замкнутой траектории вблизи изогнутой стенки. И поскольку траектория оказывается замкнутой, то свет начинает сам с собой взаимодействовать, интерферировать – в результате какой-то тип электромагнитных колебаний испытывает интерференционные затухания, а какие-то наоборот усиливаются, и в этом случае наблюдается резонанс, таким образом формируется дискретный набор частот, при которых свет может распространяться в таких дисках-резонаторах с наименьшими потерями. Именно на этих частотах и происходит генерация лазерного излучения в микролазере. И в идеальном дисковом резонаторе таких частот, или можно сказать мод, очень много, поэтому микролазеры на основе таких резонаторов являются многомодовыми или многочастотными.

… За счёт настройки затухания мод в резонаторе можно «приглушить» все моды, кроме одной, и получить одномодовый режим. В нашем случае такая настройка происходила за счёт придания шероховатости микродискам (приводящей к светорассеянию), изменение уровня, которой позволяет переходить от многомодового к одномодовому режиму генерации (спектр фотолюминесценции лазера в режиме одномодовой генерации показан на рис.2е)».

Плодотворное сотрудничество дальневосточных учёных со специалистами лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО (а через них и с зарубежными коллегами) длится давно и предполагает эффективность ожидаемых результатов и в будущем. В данном проекте, по мнению Алексея Жижченко, «лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО, в основном благодаря их руководителю Сергею Макарову, стала неким местом кристаллизации международного коллектива исследователей».

Научная консолидация – это не просто обмен мнениями и информацией, но, прежде всего, формирование исследовательской инфраструктуры и огромный потенциал для новых направлений.

«Из-за высокой новизны и актуальности исследований мы решили привести их максимально быстро и подготовить статью в сжатые сроки. Для этого пришлось собрать большую и разностороннюю команду исследователей – больше 10 специалистов из разных областей – заметил Алексей Жижченко и затем пояснил, каким образом и где проходили лабораторные испытания, — Изготовление перовскитных плёнок выполнялись в ИТМО одними специалистами, другие исследователи там же проводили расчёты модового состава изготовленных дисковых микрорезонаторов и временной динамики лазерной генерации. Численное моделирование выполнялось параллельно, с выполняемыми в ИАПУ ДВО РАН, экспериментальными исследованиями топографии (шероховатость и геометрические размеры) напечатанных микролазеров и особенностей лазерной генерации – пороги, стабильность, модовый состав и эффективность лазерной генерации. Сами же микролазеры были напечатаны на фемтосекундном лазерном литографе, установленном в ДВФУ. Там же была проведена большая работа по оптимизации параметров лазерного пучка с использованием дифракционных оптических элементов, которые специально были разработаны и изготовлены в ИСОИ РАН. При этом полный цикл исследований удалось провести примерно за 3 месяца».

Где же можно использовать микролазеры на основе перовскита и какова дальнейшая реализация метода, разработанного международной научной командой учёных?

«Микролазеры на основе перовскитов могут быть использованы во всевозможных оптических чипах. Помимо применения в качестве источника сигналов в компактных оптических процессорах, нашей следующей целью является — разработать различные высокочувствительные сенсоры на их основе, — сообщил Сергей Макаров и подчеркнул, – Примечательно, что разработанный нами метод настолько прост и высокопроизводителен, что позволяет создавать миллионы микролазеров за считанные минуты. С учетом того, что сами галоидные перовскиты имеют низкую стоимость и простой способ получения, можно уверенно говорить о высоком потенциале применения сделанного открытия».

Интегральная оптика и её элементы

Появление и развитие в начале шестидесятых годов надёжных источников лазерного излучения привело к повышению интереса учёных к области обработки и передачи информации с использованием оптических способов, хотя их использование и связано с определёнными сложностями — потребностью в применении наборов призм, модуляторов, детекторов, зеркал и других элементов оптических трактов.

Подобные устройства обычно монтируют в рамках лабораторий, и они занимают на специальной оптической скамье существенное расстояние между компонентами, которое может измеряться метрами.

Но использование такого подхода вне рамок лабораторий затруднено, так как с одной стороны, он является довольно громоздким, а с другой — флуктуации атмосферы и её загрязнения вносят свои коррективы.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

В рамках работы над озвученными проблемами, в конце 60-х годов появились первые оптические интегральные схемы, в которых основная идея заключалась в том, чтобы заменить провода и радиотракты на оптические каналы, объединённые в рамках миниатюрной схемы.

И уже в 70-х годах эта область получила новый скачок развития в связи с появлением надёжных полупроводниковых лазеров непрерывного действия, оптических волокон с малыми потерями при передаче света, разработкой методов фотолитографии, позволяющих получать субмикронные оптические каналы.

Преимущества оптических линий связи

Как уже было сказано выше, в прошлом наиболее распространённым способом соединений была проводная либо радиосвязь. По сравнению с этими способами, оптическая имеет ряд преимуществ, перечисленных ниже:

• невосприимчивость к электромагнитным помехам;
• невозможность короткого замыкания или «замыкания на землю»;
• может безопасно соседствовать с горючими материалами;
• защищённость от радиоперехвата или подслушивания (оптический сигнал проходит без возбуждения электромагнитных полей, а любое вмешательство в оптический канал связи маловероятно, так как сразу будет замечено);
• ничтожные потери при передаче сигнала. Также, в отличие от других способов передачи, потери в оптическом волокне слабо зависят от частоты, в то время как у альтернативных способов резко возрастают при её увеличении. Например, при использовании двухпроводного кабеля потери существенно возрастают при увеличении частоты модуляции более 100 кГц. В то время как в оптических волокнах величина потерь является несущественной вплоть до 10 ГГц, а максимальная частота передачи ограничивается не затуханием, а явлением дисперсии;
• большая пропускная способность;
• компактные размеры, малый вес, дешевизна производства.

• большая ширина полосы пропускания;
• существенные возможности разделения по частоте (по длине волны), если используется мультиплексирование;
• малые потери при прохождении сигнала, малый вес, небольшая потребляемая мощность;
• высокая надёжность, невосприимчивость к вибрациям.

Элементы интегральной оптики

Система интегральной оптики подразумевает согласованное функционирование целого ряда микроустройств, каждое из которых предназначено для определённой роли. Вкратце их можно показать следующим образом:

Картинка: А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров – «Материалы и технологии интегральной оптики»

Изучение принципа их работы является весьма любопытным для неискушённого исследователя, поэтому рассмотрим вкратце некоторые из них.

Как можно было видеть выше, основные элементы интегральной оптики разделены на активные и пассивные. Такое разделение подразумевает, что активные элементы функционируют при приложении определённого управляющего напряжения, пропускании тока или оптического управляющего сигнала.

В отличие от них, пассивные элементы подразумевают фиксированное преобразование информационного оптического сигнала, и их работа не зависит от подачи управляющего сигнала.

▍ Электрооптические волноводные переключатели и модуляторы

Одним из самых важных элементов интегральной оптической системы являются оптические волноводные переключатели и модуляторы света, чьи характеристики и назначение во многом совпадают. В общем случае считается, что устройство является модулятором, если в ходе выполнения основной функции оно вводит информацию в несущую волну света, изменяя во времени одну из его характеристик, а переключатель изменяет пространственное положение света, другими словами, включает и выключает его.

Одним из распространённых видов переключателей являются эксплуатирующие электрооптический эффект, который заключается в том, что при приложении электрического поля изменяются характеристики преломления вещества, к которому приложено это поле, при этом эффект характеризуется как анизотропный и имеет как линейную (так называемый, эффект Поккельса), так и нелинейную (эффект Керра) компоненты.

При этом линейный электрооптический эффект проявляется лишь у кристаллов, не обладающих инверсной симметрией, в то время как нелинейный же эффект у большинства материалов выражен слабо. Кроме того, нелинейная зависимость от электрического поля вводит искажения в модулированный сигнал, что ограничивает применение такого подхода в интегральной оптике.

Основными характеристиками переключателей и модуляторов (в целом, вне зависимости от вида) можно назвать следующие:

• Глубина модуляции: в какой степени приложенный электрический сигнал влияет на уменьшение интенсивности проходящего света.
• Полоса пропускания: диапазон частот, в рамках которых может работать устройство. При этом обычно подразумевается, что полоса пропускания представляет собой разницу между максимальной и минимальной возможной частотой, в которых глубина модуляции уменьшается на 50% от её максимальной величины.
• Вносимые потери: во время работы модуляторы и переключатели вызывают потери оптического сигнала, которые обычно измеряются в децибелах. В общем случае можно сказать, что для компенсации потерь требуется использовать источники света со всё большей мощностью, что в конечном итоге ведёт к большим затратам электроэнергии.
• Потребляемая мощность: в общем случае для использования в качестве модуляторов электрическая мощность должна потребляться только в момент смены состояний, практически не требоваться для поддержания заданного состояния и увеличиваться с увеличением частоты модуляции.
• Изоляция: при проектировании оптических систем следует большое внимание уделять изоляции входов и выходов. Например, в модуляторе величина изоляции между входом и выходом является максимальной глубиной модуляции.

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

В его основе лежит плоский волновод, и устройство в целом может работать как фазовый, так и амплитудный модулятор (изменяющий интенсивность).

Для управления модулятором подаётся напряжение обратной полярности на диод на барьере Шоттки, в результате чего волновод превращается в часть обеднённого слоя этого диода, а электрическое поле приводит к изменению фазы световой волны, которая проходит по волноводу, и это изменение пропорционально приложенной величине напряжения.

Кроме одноволноводного, существуют ещё и многоволноводные оптические модуляторы. Их принцип построен на том, что если несколько волноводов расположены друг рядом с другом и синхронизированы, то их оптическая энергия может переходить от одного волновода к другому (подобный принцип ещё используется в ответвителях). В нашем же случае, при добавлении электродов такое устройство превращается в модулятор:

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

▍ Акустооптические модуляторы

Кроме модуляторов на основе электрооптического эффекта, существуют ещё и эксплуатирующие акустооптический эффект, суть которого заключается в изменении показателя преломления во время прохождения упругих акустических волн по материалу, вызывающих механические напряжения в нём. Сама природа акустических волн подразумевает, что изменение показателя преломления происходит с некоторым периодом. Ниже показаны два типа модуляторов — Брэгга и Рамана-Ната, различие между которыми заключается только во времени взаимодействия между акустическими и оптическими волнами.

В кристаллических телах акустооптический эффект обладает ярко выраженной зависимостью от ориентации кристалла и довольно слаб даже при оптимальном подборе ориентации и материала и, например, может составлять даже при приложении акустического излучения мощностью 100 . Несмотря на столь малое воздействие на световой пучок, оно может накапливаться, особенно при согласовании фаз (здесь, видимо, подразумевается, при «согласовании фаз модуляции светового пучка и звукового излучения» — прим. автора статьи), что позволяет в итоге получить значительные дифракционные эффекты.

При этом возможны реализации, использующие объёмные акустические волны, проходящие через весь объём среды, либо использующие поверхностные акустические волны, распространяющиеся в приповерхностном слое, который равен длине волны звука. Так как типовая толщина оптических волноводов составляет несколько микрометров, то способ реализации с эксплуатацией поверхностных акустических волн вполне применим для использования в большинстве интегральных оптических схем.

Вне зависимости от конкретной реализации (поверхностных или объёмных волн), существует два типа модуляторов. Первый — Рамана-Ната, где оптический пучок сталкивается с акустическим пучком перпендикулярно, ширина акустического пучка при этом относительно мала, а оптический пучок испытывает лишь простую дифракцию на фазовой решётке:

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

Во втором случае, если акустический пучок относительно широк, то оптические волны испытывают многократную дифракцию, прежде чем выйдут из звукового пучка, что даёт в итоге совершенно иную дифракционную картину, так как в этом случае дифракция подобна объёмной картине, получающейся при дифракции на каждой атомной плоскости, и этот принцип используется на модуляторах типа Брэгга, где пучок направляется под определённым углом к решётчатой структуре (образующейся при проходе звуковых волн через материал):

Картинка: Р. Хансперджер – «Интегральная оптика: теория и технология»

Сравнивая модуляторы двух типов, можно сказать, что модуляторы Рамана-Ната обладают меньшей глубиной модуляции, если сравнивать их с модуляторами типа Брэгга. Также использование модуляторов Рамана-Ната несколько ограничено, так как они на выходе создают свет, дифрагированный на большое количество порядков, располагающихся под разными углами. Поэтому их нельзя использовать в качестве оптических переключателей, и они используются в схемах сравнительно редко. В противовес им, модуляторы типа Брэгга используются условно широко, и применяются в качестве модуляторов интенсивности пучков, дефлекторов, оптических переключателей.

Интересным является применение модуляторов Брэгга в качестве дефлекторов. Здесь подразумевается, что если частоту подводимого акустического излучения поддерживать постоянно, то оптический пучок может быть отклонён на некоторый угол (существуют специальные формулы для расчёта этого угла). И наоборот, если частота подводимого акустического излучения изменяется, также будет изменяться и угол отклонения оптического пучка. На основе этого принципа строятся не только микроскопические, но и макро-сканирующие устройства, имеющие в своей основе модулятор Брэгга. Автору этой статьи приходилось видеть лазерный сканер, построенный как раз на основе использования акустооптического модулятора: лазерный луч отклоняется по XY, проходя сквозь кристаллы, к которым прикладывается соответствующая акустическая мощность, и если обычно для подобных целей используются микрозеркальные DLP-чипы, то в этом случае лазерный сканер не содержит каких-либо движущихся частей, и луч отклоняется исключительно звуковыми колебаниями в кристаллах:

▍ Фокусирующие элементы

Неотъемлемой частью интегральной оптики являются устройства преобразования световых пучков, одним из которых выступают фокусирующие элементы.

Отличие интегральной от обычной объёмной оптики заключается в том, что интегральная оптика не ограничена только стандартными методами, известными в полноразмерной оптике, например, для плоских оптических волноводов известна зависимость эффективного показателя преломления от поперечных размеров волновода, что позволяет реализовывать преобразователи оптических пучков, которые не имеют аналогов в объёмной оптике — тонкоплёночные фокусирующие элементы используются для изменения фронта светового пучка, а также пространственной фильтрации, фурье-анализа и т. д.

Линзы Лунеберга

Первые варианты реализаций волноводных линз копировали принципы объёмной оптики и представляли собой утолщения волноводного слоя, обладая всем стандартным набором оптических аберраций, характерных для полноразмерных аналогов, и ситуация существенно улучшилась только после появления линз Лунеберга, имеющих переменный профиль толщины, который обеспечивает непрерывное изменение показателя преломления.

Кроме линз Лунеберга, известны также геодезические и дифракционные линзы.

Линзы Лунеберга создаются по одному из трёх вариантов, показанных ниже, где:

• а — линза и тонкоплёночный волновод создаются из одного и того же материала;
• б, в — создаются из различных материалов.

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

В подобных линзах градиент показателя преломления подбирается таким образом, чтобы пучок света фокусировался на противоположной стороне линзы, однако на практике, удобнее использовать, так называемые «обобщённые лунеберговские линзы», которые обеспечивают фокусировку падающего пучка вне кругового контура линзы.

Однако существует один нюанс, который ограничивает применение подобного типа линз: требуется, чтобы показатель преломления в контуре линзы существенно превосходил показатель преломления подложки, чего довольно трудно достигнуть, при использовании типичных волноводных структур на основе ниобата лития, имеющих высокие показатели преломления. Это уменьшает возможности линз по фокусированию и ограничивает их применение реализацией на стеклянных подложках, что, соответственно, сужает варианты их применений.

Геодезические линзы

Подобные линзы могут реализовываться на любых подложках и хорошо фокусируют разные типы излучений. Они представляют собой, в общем случае, участок волновода, находящийся в углублении или на возвышении и представляющий собой поверхность вращения:

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

Дифракционные линзы

Подобного типа линзы изготавливаются с помощью применения стандартной для микроэлектроники литографии, что обеспечивает их дешевизну, хорошую повторяемость и возможность массового производства.

В качестве подобного типа линз можно перечислить аналоговые линзы Френеля, решётчатые линзы с переменным шагом (с прямолинейными или изогнутыми штрихами), линзы Брэгга с переменной шириной и наклоном полосок.

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

В целом можно сказать, что потребность в достаточно высоких показателях коэффициента преломления ограничивает возможности создания эффективных и компактных линз при использовании совместно с волноводами из ниобата лития и полупроводниковых соединений.

▍ Волноводы

Как уже было сказано ранее, в оптических интегральных схемах используются оптические каналы передачи данных. В них соединительным элементом выступают так называемые «волноводы», представляющие собой, в общем случае, протяжённый в пространстве стержень прямоугольного или условно круглого сечения, имеющий поперечный размер, сравнимый с длиной передаваемой волны, а показатель преломления материала сердцевины волновода превосходит показатель преломления окружающей среды.

Картинка: А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики»

В приведённой выше схеме регулярные волноводы подразумевают под собой тип, который имеет равномерную границу между сердцевиной волновода и окружающей средой, а нерегулярные — переменные геометрические размеры или показатели преломления, изменяющиеся в пространстве.

Материал, из которого изготовлен оптический волновод, может обладать свойствами усиления — подобного типа волноводы используются в волоконных лазерах и усилителях.

Ниже приведены типы основных поперечных сечений оптических волноводов (ОВ):

Картинка: А. С. Семёнов и др. – «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации»

Как можно видеть по схеме в самом начале этого подраздела, среди типов волноводов имеется так называемый фотоннокристаллический. Это новый тип волновода, появившийся относительно недавно. В его основе лежит открытие фотонных кристаллов, представляющих собой периодические структуры из диэлектрика, с отличающимися показателями преломления:

Картинка: А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров – «Материалы и технологии интегральной оптики»

На рисунке выше показаны самые простые варианты фотонных кристаллов:

• а — чередующие диэлектрические слои с высокими и низкими показателями преломления;
• б — представляет собой диэлектрическую пластину с периодически расположенными отверстиями (пустыми или заполненными диэлектриком, с иным показателем преломления);
• в — диэлектрические шары (называются также «искусственным опалом», так как его свойства очень близки к этому камню)

В последние годы, дополняя стандартные методы создания волноводов (ионного обмена, фотолитографии и т. д.), появился интересный метод лазерной записи волноводов в стекле, суть которого заключается в необратимом изменении показателя преломления стекла, в результате воздействия на него лазерного излучения. Причём интересным здесь является то, что фокус лазерного луча может находиться как на поверхности стекла, так и внутри него, результатом чего становится получение внедрённых в поверхность волноводов или погружённых внутрь стекла.

Для подобной записи используются специальные фоточувствительные и фоторефрактивные стёкла, а сама запись осуществляется лазерами непрерывного или импульсного действия. При использовании же фемтосекундных лазеров, волноводы могут быть созданы и с использованием других стёкол — например, кварцевых, фторидных, германатных.

Этот метод отличается технологической простотой и отсутствием потребности в сложных фотолитографических процессах и даёт возможность создавать не только волноводы, но и другие элементы оптических интегральных систем: дифракционные решётки, голограммы, микролинзы и т. д.

Подытоживая, можно сказать, что тема оптических интегральных систем весьма обширна, и мы только слегка затронули её, не рассмотрев ещё источники света, призмы, разветвители, способы производства и множество других сопутствующих вопросов. Тем не менее, подобный обзор позволит получить некоторое представление об этой интересной сфере.

Список использованной литературы

1. А. С. Семёнов и др. — «Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации».
2. Р. Хансперджер — «Интегральная оптика: теория и технология».
3. А. И. Сидоров, Н. В. Никаноров — «Материалы и технологии интегральной оптики».
4. О. Ермаков — «Прикладная оптоэлектроника».