ВОЛНОВОДНЫЕ ЛИНЗЫ ЛЮНЕБЕРГА

Этот тип линз получил название по аналогии с известными линзовыми антеннами Люнеберга, широко применяемыми в технике сверхвысоких частот. Антенна представляет собой сферу с таким законом изменения показателя преломления, который обеспечивает фокусировку падающего параллельного пучка лучей на противоположной стороне линзы.

Существуют несколько конфигураций волноводных слоев интегрально–оптической линзы Люнеберга. Наиболее распространенная структура представляет собой подложку с показателем преломления n_n, на которую последовательно нанесены два волноводных слоя с разными показателями преломления: n_d и n_n. Верхний волноводный слой n_n имеет переменный по толщине профиль, создающий градиент эффективного волноводного показателя преломления. Фокусирующие свойства такой многослойной системы обусловлены заданным градиентом ее эффективного показателя преломления. Фокусирующая и разрешающая способности линзы тем выше, чем больше изменение в показателе преломления волноводного слоя и подложки. Для этого показатель преломления подложки задается минимальным, а волноводного слоя выполняется по возможности большим. Собственно линзой Люнеберга называется такая структура, у которой верхний волноводный слой обладает круговой симметрией. Примеры типичных комбинаций материалов, позволяющих получить необходимые характеристики пленочных линз, – Nb₂O₅, ZnS, Ta₂O₅ – для линз (n = 2…3) и волноводные слои в стекле (n @ 1,5).

Отклонение реального профиля эффективного показателя преломления от расчетного приводит к ухудшению характеристик линзы. Допустимые изменения глубины резкости волноводных пленочных линз в интегральной оптике не превышают нескольких десятков микрометров. Основной технологический метод получения заданного профиля линз – метод напыления через маску. Характеристики пленочных линз Люнеберга чувствительны к технологическим разбросам их по толщине.

Круговая симметрия линз Люнеберга исключает такой тип аберраций, как кома (ввиду полной симметрии для любого наклонного пучка). Кроме того, в случае схем, для которых размер жестко ограничен, пленочная линза Люнеберга совместно с системой зеркал дает возможность использовать одновременно несколько световых пучков в различных направлениях. Тем не менее, в пленочных линзах Люнеберга высокого качества требуется принятие специальных мер для компенсации сферической аберрации. Для минимизации поперечных аберраций по краям линзы, вызванных несовершенством ее профиля, технологический диаметр линзы задается примерно вдвое больше расчетной апертуры.

Один из основных недостатков волноводных линз Люнеберга — трудность подбора материала для них, если как подложку используют полупроводники – или активные диэлектрики с относительно высокими показателями преломления (п = 2...3). Для таких подложек материал линзы по показателю преломления должен удовлетворять неравенству n_линз > n_подл и в то же время обладать малыми потерями в рабочем диапазоне длин волн. Стыковка пленочной линзы с волноводом, у которого показатель преломления велик, затруднена. Это усложняет технологию для такой линзы.

1.5.3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ И ЛИНЗЫ ТИПА
ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Геодезические линзы, принцип действия и устройство которых также заимствованы из техники сверхвысоких частот, – одна из альтернатив линзам Люнеберга в интегральной оптике. Геодезическая линза представляет собой углубление сферической или асферической формы в подложке, образованное оптическим шлифованием и полировкой (рис. 4, б). Ось симметрии углубления линзы перпендикулярна плоскости волновода и его край образует круговой контур. Волновод в подложке создается после изготовления в ней требуемого рельефа. Волноводный слой формируется с использованием стандартных фузионных и ионообменных процессов или нанесением на поверхность подложки волноводных пленок. Оптическая полировка на границе плоскости волновода и линзы снижает оптические потери.

В основе работы линзы лежит принцип Ферма. Кратчайший оптический путь для луча, вошедшего в линзу, будет проходить по геодезической линии искривленной поверхности, образующей линзу. Длина оптического пути в центре линзы будет больше, чем на ее краях. Так как показатель преломления волноводного слоя постоянен по всей его длине, фазовый фронт за линзой будет искривлен в сторону ее оси. Постоянство параметров волноводного слоя обусловливает отсутствие хроматической аберрации для геодезических линз. Эта их особенность делает возможным применение геодезических линз не только в одномодовых, но и в многомодовых устройствах.

Хроматические аберрации у геодезических линз практически отсутствуют, зато сферические, наоборот, проявляются отчетливо. Поэтому, если не принять специальных мер, распределение интенсивности света в фокальном пятне только в случае малых апертур будет близко к расчетному. С увеличением используемой апертуры наблюдается рост уровня боковых лепестков и ширины максимума по сравнению с дифракционным пределом. Это приводит к ухудшению оптического качества линзы и размытию изображения.

Значительная аберрация приводит также и к изменению интенсивности света вдоль оси. Возможно, смещение фокальной точки относительно ее расчетного положения (так называемого дифракционного фокуса) и даже образование нескольких фокальных пятен. У сферической геодезической линзы с ростом апертуры сначала наблюдается сдвиг главного максимума продольного распределения интенсивности по оптической оси, сопровождаемый ростом боковых лепестков распределения. При дальнейшем увеличении апертуры формируется многофокусное распределение.

Геодезические линзы сферической формы из–за значительных аберраций оказались малопригодными для интегрально–оптических схем. Для снижения аберраций используют различные компенсационные методы. Применяют сфероидальную форму линз или формируют в области углубления компенсирующую пленочную линзу, имеющую аберрацию с обратным знаком. Этого можно достичь утолщением волноводного слоя внутри контура линзы или нанесением материала с отличным от такового для волновода показателем преломления. Наименьшей аберрацией характеризуются сфероидальные линзы: они дают возможность использовать до 50 % апертуры без ухудшения фокусирующих свойств.

Несмотря на то, что практическая реализация высококачественных геодезических линз связана со значительными технологическими трудностями, интерес к разработке их воспроизводимой групповой технологии достаточно высок. Геодезические линзы, прежде всего совместимы с подложками из активных диэлектриков (LiNbO₃, LiTaO₃), широко применяемых в устройствах интегральной оптики.

Одно из перспективных направлений в создании высококачественных фокусирующих устройств интегральной оптики представляют собой линзы типа дифракционных решеток. Они технологически проще геодезических и линз Люнеберга. Их технология может быть отнесена к базовой технологии элементов интегральной оптики. Ее основу составляют коротковолновая ультрафиолетовая фотолитография и электронная литография, хорошо освоенные в современной микроэлектронике. Применительно к технике планарных линз особенно интенсивно развивается метод электронной литографии, позволяющий обрабатывать большие площади (до 10 мм²) с разрешением 0,3 мкм и формировать практически любой рисунок линзы. К наиболее перспективным планарным дифракционным линзам относятся линзы Френеля, брэгговские и линзы, выполненные в виде дифракционной решетки с переменным шагом.

В классической линзе Френеля фокусировка – это следствие двух эффектов: дифракции Френеля; введения в плоскость дифракции соответствующего фазового сдвига или поглощения для усиления интерференции в фокальной точке. В волноводной линзе к этому добавляется и волноводный эффект. Необходимый фазовый сдвиг получают за счет направленного изменения эффективного показателя преломления волновода. Осуществляется это теми же способами, что и для других волноводных линз, — изменением параметра волноводного слоя или нанесением на волновод металлического или диэлектрического покрытия.

Усиление дифракции в фокусе возможно также за счет усиления поглощения той части излучения, которая нарушает интерференцию в фокальной точке. С увеличением поглощения одновременно снижается эффективность линзы, что делает метод фазового сдвига более предпочтительным. Для получения фокусирующих свойств фазовой линзы необходим фазовый сдвиг между точкой фокуса F и любой точкой в плоскости линзы, величина которого

, (19)

где х — расстояние от оси линзы до точки на плоскости линзы. Если плоскость линзы разбита на такие прямоугольные зоны, для которых фазовый множитель на расстоянии x_m от оси всегда равен

, (20)

где m=1, 2, 3,..., то амплитудная линза Френеля получается в случае поглощения оптической мощности во всех нечетных зонах. Соответственно фазовая линза получится при сдвиге фаз, равном l в нечетных зонах. Поглощение (или фазовый сдвиг) в нечетных зонах осуществляется за счет нанесения или вытравливания соответствующих областей волновода.

Если известны параметры линзы, то распределение интенсивности в ее фокальной плоскости получается суммированием дифракционных полей от всех зон линзы.

Основной недостаток волноводных фазовых линз Френеля — их относительно низкая дифракционная эффективность (отношение входной интенсивности к интенсивности в фокусе), которая, как правило, не превышает 35 %. Низкая дифракционная эффективность — следствие ступенчатого характера изменения показателя преломления линз Френеля вдоль ее ширины. Этот их недостаток частично устраняется в так называемых градиентных линзах: там параметры волноводного слоя в зоне Френеля меняются по определенному закону. На рис. 5 показан вариант такой градиентной линзы, выполненной из аморфного сульфида мышьяка на волноводном слое нитрида кремния. В градиентных линзах фокусное расстояние зависит только от их геометрии и, следовательно, может быть определено с высокой степенью точности, Максимальная дифракционная эффективность для градиентных линз достигает 90 %, что в 2–2,5 раза выше, чем у ступенчатых.

Величина фокального пятна остается в границах дифракционного предела даже при значительных отклонениях толщины линзы от оптимального значения. Технологический разброс толщины приводит лишь к изменению максимальной интенсивности в фокусе, снижая только дифракционную эффективность линзы. Это еще одно достоинство градиентных фокусирующих структур, немаловажное для их применения в интегрально–оптических схемах.

Таким образом, градиентные линзы Френеля по всем характеристикам превосходят аналогичные линзы со ступенчатым профилем показателя преломления. Это и определяет их преимущественное применение в интегрально–оптических фокусирующих устройствах. К их достоинству следует также отнести относительно хорошо освоенную технологию получения дифракционных решеток в оптике.

Использование активных диэлектриков ниобата и танталита лития как подложек для дифракционных линз, в частности линз Френеля, значительно расширяет функциональные возможности фокусирующих устройств. В дополнение к фокусировке на таких активных структурах можно реализовать функции модулятора, сканера и др.

Рис. 5. Структура волновой градиентной призмы Френеля: 1 – волновод; 2 – буферный слой; 3 – подложка.

Один из недостатков дифракционных линз – их неудовлетворительные характеристики при работе с наклонными пучками.

В последнее время широко применяются в интегрально–оптических устройствах оптической обработки сигналов линзы типа брэгговских решеток с переменным шагом. Дифракция Брэгга имеет место, если структура достаточно протяженна в направлении, параллельном распространению света. Поэтому брэгговские линзы называют также линзами с толстой решеткой – в противоположность френелевским, являющимся линзами с тонкой решеткой.

Так же, как и в случае френелевских линз, фокусное расстояние линзы на основе брэгговской решетки с переменным шагом зависит от ее геометрии, в частности от переменного периода решетки. Отсюда слабая зависимость оптических характеристик брэгговских линз от технологического разброса при их изготовлении. Параметрами, определяющими эффективность дифракции (но не влияющими на фокусное расстояние), служат ширина и глубина решетки.

Брэгговские линзы на переменных решетках созданы как на пассивных (стекла), так и на активных (ниобат лития) подложках.

Высокие характеристики брэгговских линз и их технологичность делают их конкурентоспособными градиентным линзам для широкого класса устройств интегральной оптики. Они встраиваются не только в микроволноводы, но и в источники и приемники излучения.

1.6. АКУСТООПТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
И ПРИБОРЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Один из эффективных способов управления излучением в волноводах – использование взаимодействия звука и света (акустооптического). Акустическая волна представляет собой процесс переноса механических деформаций – объемных и сдвиговых. При распространении звуковой волны в среде возникает регулярное изменение показателя преломления, характеризуемое периодичностью звуковой волны и движущееся вместе с ней. Взаимодействие светового пучка с такой индуцированной решеткой показателя преломления сопровождается эффектами, аналогичными дифракции света на дифракционной решетке. Эффект линеен – величина изменения показателя преломления пропорциональна деформации dS:

. (21)

Коэффициент пропорциональности Р характеризует так называемые фотоупругие свойства материала. В области прозрачности этот коэффициент практически не зависит от длины волны света, однако зависит от направления распространения и поляризации света и звука. С практической точки зрения гораздо удобнее выразить изменение показателя преломления через величину подводимой акустической мощности P_a;

, (22)

где M₂ – коэффициент акустооптического качества материала; S — площадь поперечного сечения образца, через которую проходит волна.

Акустооптические активные элементы могут быть построены с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ). Энергия, переносимая ПАВ, сосредоточивается в приповерхностном слое толщиной порядка длины волны. Такая локализация волны дает возможность получать высокую дифракционную эффективность акустооптического взаимодействия. Достигается максимальное перекрытие звуковых и световых полей в области взаимодействия.

Возбуждение ПАВ осуществляется с помощью встречно–штыревых преобразователей. Это структура электродов в форме двух вложенных одна в другую гребенок. Если к ней приложить переменное электрическое напряжение, предварительно нанеся электроды на пьезоэлектрик – материал, в котором под воздействием электрического поля возникают механические напряжения, – в последнем возникает переменная и периодическая упругая сила. Эта сила возбуждает поверхностную волну в направлении, перпендикулярном электроду. Такой относительно простой преобразователь обеспечивает полосу частот, не превышающую сотни мегагерц. Можно расширить эту полосу до 400 – 450 МГц за счет уменьшения акустической апертуры (длины взаимодействия) l_a. Но такой путь не всегда приемлем – с уменьшением l_a резко падает эффективность дифракции, поскольку путь, на котором свет и звук будут взаимодействовать, сокращается и, как следствие, растет акустическая мощность, необходимая для работы устройства. Поэтому, когда необходима и широкая полоса частот, и высокая эффективность дифракции, применяют преобразователи более сложной структуры.

С максимальной эффективностью генерируется ПАВ, длина волны которой равна удвоенному расстоянию между электродами. Задав период электродов переменным, можно обеспечить генерацию одним преобразователем сразу целого спектра ПАВ: каждая секция в этом случае будет генерировать свою длину волны. Расширение полосы частот преобразователей ПАВ можно обеспечить, расположив несколько электродных секций с разными периодами, развернув их друг относительно друга в плоскости взаимодействия. Каждая секция настроена на свою резонансную длину волны L_a, а угол наклона между соседними секциями преобразователей определяется разностью в углах Брэгга (оптимальный входной угол), соответствующих их центральным частотам.

Современные преобразователи дают возможность генерировать ПАВ значительной интенсивности в широком диапазоне частот – от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.

Рис. 6. Акустооптические элементы интегральной оптики: а – ТЕ–ТМ – преобразователь мод, б – вывод излучения через подложку.

Геометрия акустооптических активных элементов в зависимости от взаимного направления распространения света и звука подразделяется на коллинеарную (параллельную) и неколлинеарную. При коллинеарном направлении распространения световых и акустических волн может происходить как преобразование мод (рис. 6, а), так и вывод света из волновода в подложку (рис. 6, б). В случае неколлинеарной геометрии возможны два основных типа дифракции: Рамана – Ната и Брэгга. При дифракции Рамана – Ната (рис. 7, а) фронт акустической волны l_a должен иметь малую ширину (чтобы не возникала многократная дифракция):

, (23)

где l – длина волны света в материале; L_a – длина волны звука. Распределение энергии падающего излучения по дифракционным максимумам симметрично относительно луча проходящего света. Активные элементы на основе дифракции Рамана – Ната в результате того, что свет распределен в большом числе дифракционных порядков, нельзя использовать как переключатели. Кроме того, глубина модуляции (часть света, которая уходит за счет дифракции из дифракционного пучка нулевого порядка) у модуляторов Рамана – Ната, как правило, значительно меньше, чем у модуляторов Брэгга.

Для осуществления дифракции Брэгга знак неравенства в выражении (23) нужно изменить на обратный. Таким образом, длина взаимодействия между оптическими и акустическими пучками должна быть сравнительно большой. При брэгговской дифракции отклонение света происходит только в первый порядок дифракции (рис. 7, б), а оптимальный входной угол оптического пучка должен равняться углу Брэгга q_б, который определяется из соотношения

. (24)

Так как угол отклонения дифрагированного света определяется длиной звуковой волны, то направлением его луча можно управлять, меняя звуковую частоту. Распределение энергии между проходящим и дифрагированными лучами регулируется изменением амплитуды звуковой волны. Тем самым обеспечивается возможность управления интенсивностью света, поскольку на периодической структуре, создаваемой монохроматической звуковой волной, эффективно дифрагирует свет лишь определенной длины волны (24). Такая избирательность позволяет выделить из спектра падающего оптического излучения узкий интервал. Изменяя звуковую частоту, можно менять положения этого интервала в электромагнитном спектре. Наконец, можно, меняя длину волны света на величину звуковой частоты или кратную ей, управлять фазой световой волны и ее поляризацией.

Рис. 7. Ход лучей в акустооптическом устройстве при неколлинеарной геометрии взаимодействия света и звука: а – дифракция Рамана – Ната; б – брегтовская дифракция.

Таким образом, изменяя определенным образом соответствующие характеристики звуковой волны, можно управлять практически всеми параметрами светового луча. На основе этого явления создан целый набор акустооптических устройств интегральной оптики: дефлекторы, модуляторы, фильтры, переключатели и т. п. Используя комбинацию коллинеарной и неколлинеарной геометрий акустооптических систем, можно одновременно сканировать световой луч в плоскости волновода и осуществлять управляемый выход луча из волновода. На этом принципе могут быть созданы двухкоординатные сканеры.

Рис. 8 Интегрально–оптические устройства на трехмерных волноводах с управлением на ПАВ: а – переключатель на связанных волноводах; б – интерференционный модулятор.

Все рассмотренные акустооптические устройства выполняются на планарных волноводах. Это диктуется необходимостью выполнения неравенства для условия (23) в случае брэгговской дифракции (волна должна быть достаточно протяженной). Тем не менее, применяя акустическое управление в структурах интегральной оптики, и на трехмерных волноводах можно создавать достаточно эффективные модуляторы и переключатели. На рис. 8 показаны интегрально–оптический модулятор и переключатель на трехмерных волноводах, управление которыми осуществляется с помощью ПАВ. В первом случае ПАВ изменяет константы распространения в плечах интерферометра, во втором – влияет на величину коэффициента связи связанных волноводов.