Интегрально-оптические фокусирующие элементы

В интегральной оптике находят применение интегрально-оптические фокусирующие элементы: линзы Люнеберга, геофизические линзы и линзы типа дифракционных решеток.

Линза Люнеберга (рис. 4.9) представляет собой подложку с показателем преломления п₄, на которую нанесены два волноводных слоя с показателями преломления п₂ и п₃. Верхний волноводный слой имеет круговую симметрию и переменную толщину, за счет чего меняется коэффициент γ.

Геодезическая линза (рис. 4.10) представляет собой углубление (или возвышение) сферической формы в подложке, выполненное оптическим шлифованием и полированием. Волновод в подложке (на рис. 4.10 заштрихован) создается после изготовления требуемого рельефа.

В основе работы линзы лежит принцип Ферма, в соответствии с которым луч света всегда распространяется в пространстве между двумя точками по тому пути, вдоль которого время его прохождения наименьшее. Кратчайший по времени оптический путь для луча, вошедшего в линзу, проходит по геодезической линии искривленной поверхности, образующей линзу. Длина пути в центральной части линзы больше, чем на ее краях. Так как показатель преломления п волноводного слоя постоянен по всей длине, то оптическая длина путей пl, проходимых разными лучами, будет различной, В результате волновой фронт за линзой (штрихи на рисунке) искривляется, отчего все лучи, являющиеся нормалями к поверхности волнового фронта, отклоняются линзой и фокусируются в точке F.

На рис. 4.11 показана волноводная линза Френеля. Она состоит из подложки с показателем преломления п₄, волновода с показателем преломления п₃ и отрезков пленки с показателем преломления п₂. Фокусирующие свойства такой линзы определяются процессами дифракции.

Интегрально-оптические модуляторы

Для введения в световую волну информации в интегральной оптике применяются оптические модуляторы, которые изменяют интенсивность (амплитуду), фазу, состояние поляризации или частоту световых колебаний. Для модуляции световой волны можно использовать акусто- электро- или магнитооптический эффект.

Акустооптический модулятор

На рис. 4.12 представлена схема волноводного акустооптического модулятора. Стеклянная пленка 1нанесена на кварцевую подложку 3. Показатель преломления пленки больше, чем показатель преломления подложки. Встречно-штыревые электроды 2, нанесенные на подложку, создают в ней акустическую волну, распространяющуюся вдоль вертикальной оси и проходящую через область подложки с нанесенной пленкой.

Световая волна 4через решеточный элемент связи вводится в волновод под углом θ к акустическому волновому фронту и дифрагирует на периодических неоднородностях (с изменением показателя преломления), наведенных акустической волной в волноводе и в подложке. В результате образуется дифрагированная волна 5. Отклоненный и неотклоненный световой пучок выводится из пленки с помощью второго решеточного элемента. Описанное устройство можно использовать не только как модулятор, но и как дефлектор, отклоняющий лазерный пучок.

Электрооптический модулятор

На рис. 4.13 приведена схема электрооптического модулятора решеточного типа. Свет лазера вводится в пленочный волновод слева с помощью призменного элемента связи 2 и выводится справа с помощью другого призменного элемента 5. На поверхность электрооптической волноводной пленки нанесена встречно-штыревая система электродов 3, к которой приложено напряжение.

Приложенное напряжение создает в волноводе периодическое поле, которое формирует решетку из областей с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления волноводной пленки. Вследствие дифракции на этой решетке энергия плоского колебания 4 частично преобразуется в энергию колебания 6 с иным направлением распространения. Таким образом, в данном устройстве за счет пространственного разделения волн осуществляется амплитудная модуляция.

На электрооптическом эффекте основан принцип полупроводникового модулятора. Линейный электрооптический эффект в р-п-переходах возникает в связи с тем, что при обратных напряжениях, приложенных к переходу, в области объемного заряда изменяется концентрация свободных носителей. Изменение концентрации ведет к модуляции диэлектрической проницаемости, а, следовательно, и показателя преломления п. При использовании таких полупроводников, как GaAs, GaP, управляющее напряжение должно составлять единицы - десятки вольт.

Для создания модуляторов можно использовать различные эффекты, вызывающие изменение коэффициента поглощения света в полупроводниках, в частности эффект Келдыша - Франца, заключающийся в сдвиге края полосы поглощения при создании в полупроводнике сильного электрического поля.

Магнитооптический модулятор

Схема магнитооптического модулятора изображена на рис. 4.14.

При прохождении по электроду 1 тока возникает магнитное поле, периодически изменяющееся в направлении распространения волн. Энергия падающей плоской волны 4, поляризованной в горизонтальной плоскости, в волноводе 3 преобразуется в энергию волны 2, поляризованной в вертикальной плоскости.