Електрооптичні пристрої

Електрооптичні пристрої реалізуються на широкому класі матеріалів, які включають як напівпровідникові матеріали і (наприклад, ), так і активні діелектрики – ніобати літію, танталу, калію тощо. Найбільшу цікавість викликають модулятори-перемикачі. До них належать модулятори-перемикачі на основі ефекту тунельної перекачуванни світла (або модулятори-перемикачі на зв’язаних хвилеводах, модулятори-перемикачі інтерференційного типу).

В основі роботи електрооптичних модуляторів-перемикачів лежить електрооптичний ефект Поккельса. Суть його полягає в тому, що в деяких оптичних матеріалів показник заломлення змінюється пропорційно прикладеній напруженості електричного поля.

Величина лінійного електрооптичного ефекту, що визначається зміною показника заломлення , пов’язана з напруженістю поля виразом:

, (4.1.1.)

де – показник заломлення матеріалу у відсутності електричного поля, – електрооптичний коефіцієнт (тензорна величина). У результаті світло, яке пройде в такому матеріалі шлях , набуває фазової затримки величиною:

. (4.1.2)

Отже, відбувається відповідна модуляція хвилі за фазою. На відміну від об’ємних оптичних пристроїв, де для аналізу подібного типу модуляції широко застосовуються додаткові пристрої (наприклад поляризатори), в інтегральній оптиці перетворення фазової модуляції в амплітудну здійснюється за допомогою різних інтерференційних схем. Якщо між інтерферуючими пучками існує різниця фаз, то в результуючому полі це проявляється як модуляція інтенсивності.

До основних характеристик модуляторів належить глибина модуляції (коефіцієнт модуляції) та ширина смуги модулюючих частот , яка у свою чергу визначає об’єм інформації, що обробляється.

Узагальненим показником якості є величина питомої потужності або фактор якості, який визначається як потужність збудження до одиниці смуги частот при еквівалентній 84 % модуляції інтенсивності.

Як правило, основою хвилевідного модулятора є діелектричний хвилевід, наприклад ніобат літію або танталу . Далі технологією дифузії або епітаксіального росту формують структуру із заданими властивостями.

Принципова схема дії таких модуляторів наведена на рис. 4.1.1. Величини електрооптичних коефіцієнтів, які визначають величину зміни коефіцієнта заломлення, залежать від кристалографічної орієнтації матеріалу (від взаємного розташування кристала і напрямку електромагнітної хвилі), що використовується для створення активного елемента. У випадку анізотропних кристалів, таких як ніобат літію, оптимальними орієнтаціями для хвилевідної структури є - і -зрізи, як показано на рисунку. Загально прийнято, що для того щоб зв’язати з координатами кристалографічні напрямки, вісь повинна бути спрямована вздовж оптичної осі кристала. Тому, якщо іде мова про - або -зріз, то це значить, що відповідна вісь перпендикулярна великій площині кристала.

Для отримання максимальних електрооптичних коефіцієнтів керуюче електричне поле повинно бути спрямовано вздовж осі . Це у свою чергу накладає обмеження на конструкцію електродів модулятора. У випадку використання -зрізу (рис.4.1.1, а) електроди розташовані симетрично по обидва боки хвилеводу. Як наслідок - керуючою складовою електричного поля є його паралельна складова . В активних елементах на -зрізі (рис. 4.1.1, б) для зберігання напрямку модулюючого поля вздовж осі один з електродів наноситься зверху на хвилевідний шар 1 і робочою складовою є вертикальна складова електричного поля . Акцентуємо увагу на тому, що матеріалом керуючого електрода є метал. Як наслідок, хвилевідна мода, яка розповсюджується по хвилеводу з металевою границею, є затухаючою. Для того, щоб уникнути цього, між електродом та хвилеводом нанесений тонкий ізолюючий шар з низьким (відносно хвилеводу) показником заломлення. Це загальноприйнятий технологічний прийом і далі, коли ми будемо говорити про те, що на поверхню хвилеводу нанесений шар, який є провідником (за винятком спеціальних випадків, коли необхідно створити виведення випромінювання з хвилеводу), то будемо мати на увазі, що він відокремлений від хвилеводу ізолятором. В основному як буферний шар використовують окісні плівки алюмінію ( ) або кремнію ( ) товщиною близько 20 мкм.

Схема, наведена на рисунку 4.1.1, ілюструє також основні схемні конфігурації хвилевідних активних елементів із зосередженими параметрами (рис. 4.1.1, а) та типу біжучої хвилі (рис. 4.1.1, б). Для схем із зосередженими параметрами електроди створюють зосереджену ємність модулятора перемикача. Його смуга частот обмежується добутком ємності електродів на величину опору навантаження і часом розповсюдження світлового потоку через перемикач-модулятор.

У схемі типу біжучої хвилі світло і модулююча хвиля надвисокої частоти (близько гигагерц) розповсюджуються в одному напрямку. Якщо фазові швидкості керуючого електричного поля й оптичного випромінювання рівні, величина ємності електродів і час розповсюдження світла через модулятор не впливають на смугу частот. Смуга частот обмежується ступенем разузгодження швидкостей оптичної та надвисокочастотної хвиль. Якщо таке разузгодження невелике, то характеристики модулятора погіршуються мало. Додамо, що модулятори-перемикачі типу біжучої хвилі характеризуються також більш високою ефективністю порівняно зі структурами із зосередженими параметрами. Для модуляторів з паралельними пластинами відношення факторів якості складає:

. (4.1.3)