СОГЛАСОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ

Формулировка общих принципов и поиск оптимальных вариантов согласования устройств интегральной оптики тесно связаны с основными характеристиками согласуемых волноводных структур, такими, как профили полей, спектр и количество волноводных мод и т. д. Варианты согласования можно разделить на две группы. Первая включает задачи согласования многомодовых волноводных структур, вторая — одномодовых.

Для согласования волноводных структур широко применяют два основных метода: непосредственной (так называемая стыковка в торец) и распределенной связи посредством исчезающего поля поверхностной волны. В последнем случае мощность возбуждающей поверхностной волны туннелирует через боковую поверхность волноводной структуры на длине зоны связи.

Стыковка в торец, несмотря на критичность к точности совмещения и качеству сочленяемых торцов, сегодня, по–видимому, самая распространенная. Как правило, применяют ее тогда, когда абсолютные значения и профили показателей преломления структур существенно различны: связь волокно – волновод, волновод – источник (приемник излучения и т. д.).

Метод распределенной связи свободен от жестких допусков на позиционирование согласуемых элементов. Однако применим он главным образом для структур с одинаковыми или близкими значениями показателей преломления, поскольку необходимо обеспечить совпадение постоянных распространения мод (т. е. осуществить фазовое согласование). Теоретически метод распределенной связи обеспечивает большую эффективность по сравнению со стыковкой в торец.

Характеристикой качества согласования любого согласующего элемента является эффективность согласования или связи h_св. Она определяется отношением энергии, введенной (или выведенной) в моду m–го порядка, к суммарной энергии оптического пучка до согласования. На практике, как правило, используют соотношение мощностей. Так, эффективность согласования двух волноводных структур численно равна отношению мощности, введенной в приемную структуру P₁, к полной мощности, излучаемой возбуждающей структурой P₂:

. (16)

Кроме параметра связи, часто необходимо знать величину потерь на согласование a_св, которая входит одним из слагаемых в величину общих потерь в волноводном тракте или в интегрально–оптической схеме. Величина a_св выражается в децибелах и определяется выражением

. (17)

Основной принцип согласования и связи многомодовых структур базируется на теореме Лиувилля, которая позволяет описать поведение пучка лучей вдоль оптической оси волноводной структуры в фазовом пространстве координат и импульсов. Ее выполнение в приближении геометрической оптики требует соблюдения, во–первых, «закона яркости», согласно которому энергетическая яркость изображения (приемника) не может быть больше таковой для источника, и, во–вторых, сохранения объема фазового пространства вдоль траектории луча, (когда излучение распределено однородно по фазовому пространству). Величина объема фазового пространства однозначно связана с числом мод в волноводной структуре. Каждая мода занимает в фазовом пространстве объем, равный ср • см². Поэтому полное число мод определяет объем фазового пространства, занимаемый световым пучком, и, следовательно, определяет способность волноводной структуры принимать излучение.

Таким образом, сохранение объема фазового пространства в геометрической оптике на языке волноводных структур означает сохранение числа мод. С точки зрения проблемы связи это значит, что волноводная структура с числом распространяющихся мод M₁ не может собрать более M₁ мод возбуждающей волноводной структуры или источника излучения. Это утверждение фундаментально и не зависит от типа оптической связи между структурами.

Энергетическая яркость возбуждающей структуры пропорциональна мощности излучения, приходящейся на одну пространственную моду (при однородном распределении оптической мощности по модам, например, в случае светоизлучающего диода). Поэтому полную излучаемую мощность невозможно сконцентрировать в меньшем числе мод – в противном случае нарушается закон яркости. Значит, основным условием достижения максимальной эффективности при согласовании многомодовых структур является неравенство вида

, (18)

где М₀, М₁ – число мод возбуждающей и приемной структур.

В случае согласования одномодовых структур принципиальных ограничений, вытекающих из теоремы Лиувилля, не возникает, так как число мод строго определено (М₀ = M₁ = 1). Для одномодовых структур h_св ограничивается степенью рассогласования полей мод. Поэтому чем, точнее поле источника воспроизводит структуру поля волны приемной структуры, тем выше эффективность согласования.