ОПТОЭЛККТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ГОЛОГРАФИИ

Основу интегрально-голографических схем /1/ составляют диэлектрические волноводы оптического диапазона, которые могут иметь поперечные размеры 10^-1¸ 10² мкм. Подобные волноводы могут быть пассивными и активными. Для их создания применяют следующие виды технологии: вакуумное осаждение, распыление, эпитаксиальная технология, полимеризация, ионная бомбардировка, ионный обмен. В качестве материалов применяют zno (на l =0,63 мкм потери 60 дб/см), zns (5 дб/см), Та₂О₅ (1 дб/см), распыленное стекло (0,9 дб/см), некоторые полимеры (~ 0,9 дб/см) /2/.

Одномодовые микроволноводы представляют из себя полоски (пленки) определенного коэффициента преломления и размещаются внутри блоков (оболочек) из материала с несколько меньшей оптической плотностью (рис.1). Полоски должны быть однородными, иметь равномерную ширину и высоту, малое рассеяние и потери на поглощение. При этом разность коэффициентов преломления материалов волновода n₁ и блока (оболочки) n₂ выдерживается во втором - третьем знаке и связана с его поперечным размером: D n» 3/4(l /а)², где l - длина световой волны в свободном пространстве, 2а - ширина волновода.

Волноводы рефракционной модификации отличаются от обычных тем, что у них значение показателя преломления сердцевины есть функция от радиуса n=¦ (r). При этом происходит уменьшение числа отражений на границе сердечник-оболочка (за счет изгибания лучей) и их светопропускание значительно увеличивается. Изменение показателя преломления материала волновода по сечению у рефракционных волноводов обеспечивает возможность использования их как в одномодовом, так и многомодовом режимах.

Передача оптического сигнала через микроволновод аналогична случаю отражения когерентного излучения от шероховатой поверхности или прохождения его через неоднородную, среду (диффузор) /3/. Когда свет отражается от грубой, шероховатой поверхности, регулярность его первоначальной фазы нарушается, свет становится ансамблем небольших цугов волн со случайными фазами. В плоскости наблюдения эти цуги интерферируют друг с другом, образуя распределение интенсивности, изменяющееся обычно от точки к точке из-за случайности их фаз. Если падающий свет высококогерентный, разность фаз между любыми двумя цугами практически не изменяется со временен, так что результирующее распределение интенсивности стационарно и наблюдается как пятнистая структура. Распространение когерентного излучения в волноводе можно представить в виде последовательных отражений парциальных волн от границы сердечник-оболочка, при этом каждая из них приобретает случайное изменение фазы после серии отражений за счет неоднородности этой границы (рассеяние на микродефектах, несовершенство формы поперечного сечения). Для многомодовых волноводов на выходе появляется множество лучей со случайными фазами. В результате возникает пятнистая структура распределения интенсивности, при этом ее пространственная частота увеличивается с уменьшением диаметра волновода. Искривление средней части волновода не изменяет статистической картины.

кроме s=t=0. Здесь r - расстояние между диффузором и плоскостью наблюдения; l - длина волны; j - интенсивность в плоскости диффузора; С - постоянный коэффициент, зависящий от микроскопических процессов диффузии. Спектральная плотность пропорциональна функции автокорреляции интенсивности на поверхности источника. r _j1j2(a b ) представляет свертку распределений интенсивности

в нулевой плоскости и j₂ в плоскости, смещенной на (a ,b ), т.е.

Здесь постоянный уровень отброшен. Для волноводов с круглым торцом диаметра d, p(s,t) можно вычислить путем подсчета площади заштрихованной части на рис.2, как

а интенсивность предполагается постоянной по всему торцу. Уравнение (3) определяет спектральную ширину, которая пропорциональна квадрату диаметра волновода. При переходе к одномодовым микроволноводам пространственные частоты будут настолько велики, что поле излучения в раскрыве волновода будет практически равномерным. Это объясняется тем, что с уменьшением числа возможных распространяющихся мод (за счет уменьшения диаметра сердечника или разности д л показателей преломления сердечник-оболочка) в волноводе ограничивается число лучей, взаимодействующих в его выходной плоскости со случайными фазами.

Рис.2. К вычислению Р(s,t) для волноводов с круглым торцом.

Для тонкопленочных волноводов наибольшее распространение находил до настоящего времени способ ввода световой волны через их боковую поверхность с помощью призмы. Его аналогами является призменный и дифракционный способы ответвления.

При вводе энергии с торца микроволновода роль фокусирующих устройств выполняют (по аналогии с рупорными возбудителями в технике СВЧ) микролинзы, плавно-неоднородные или двуслойные конические переходы. Диаметр большого торца может в 50¸ 100 раз превышать диаметр меньшего. Эффективность возбуждения волны основного типа, при гауссовском распределении входного светового пучка и оптимальных соотношениях между размерами облучающего пятна и сечением волновода, приближается к 100%. Для подавления высших типов волн, устранения перекрестных эффектов и взаимодействия близко расположенных микроволноводов оболочке волновода придают поглощающие свойства.

Изменение направления световых пучков осуществляется изгибом микроволноводов. Потери на излучение одномодового оптического микроволновода с однопроцентной разностью показателей преломления при радиусе изгиба свыше 1,6·10^{3 l} n, пренебрежимо малы, однако при его уменьшении резко возрастают. Излучение обусловлено разностью скоростей волн на верхней и нижней границах волновода и может быть существенно снижено за счет перехода к неоднородному по сечению волноводу с уменьшением коэффициента преломления от внутреннего радиуса изгиба к внешнему.

Основным элементом интегрально-голографических систем является синфазный направленный разветвитель с локальной связью, обеспечивающий многоканальность работы микроволноводной когерентно-оптической системы. Синфазное направленное ответвление электромагнитной энергии обеспечивается в широком диапазоне углов пересечения волноводов, при сохранении направленности порядка 35 дб.

Коэффициенты деления и передачи несимметричного разветвителя зависят лишь от углов j - пересечения волноводов и g ₀ -падения парциальных волн на границу раздела сердечник-оболочка /4/:

Для заданных (по сечению и диэлектрической проницаемости) волноводов формулы (5¸ 7) позволяют непосредственно определить угол j , обеспечивающий требуемые коэффициенты деления и передачи сигнала между трактами. Аналогичные закономерности наблюдаются и для симметричного (по углу ветвления) направленного делителя с волноводами различного поперечного сечения.

Широкое применение при решении задач интегральной голографии находят излучающие системы на диэлектрических волноводах. Микроволноводные устройства осевого излучения выполняют функции линзовых или зеркальных устройств и формируют предметный и опорный пучки. Излучатели полимерных волноводов заданного профиля изготавливаются заодно с волноводами в виде микролинз или конусообразных переходов. Они создают пучки когерентного света с требуемым амплитудно-фазовым распределением. Результаты экспериментальных исследований продольного распределения амплитуд поля в пучке, сформированном рефракционным и двуслойным волноводами круглого и прямоугольного сечений с плоским торцом на волне 0,63 мкм, показаны на рис.3 в виде эквипотенциалей, нормированных к максимуму поля. Можно использовать с целью формирования требуемых излучающих свойств и отрезки рефракционных волноводов,

Рис.3. Продольное распределение амплитуд поля в пучке, сформированном рефракционным и двуслойным волноводами круглого и прямоугольного сечений с плоским торцом на волне 0,63 мкм.

Направленное деление, сложение и синфазно-противофазное суммирование оптических сигналов осуществляют гибридные соединения. По сравнению с оптическим гибридным соединением на микроволноводах с полупрозрачным зеркалом, более перспективными являются плоские и объемные гибридные соединения с локальной связью. Они выполняются как синфазного, так и синфазно-противофазного включения. При подаче сигнала в одно из плеч он передается во "встречно" включенные и почти не поступает в "попутно" включенные плечи, обеспечивая для них развязку порядка 30 дб.

При построении многоканальных интегрально-голографических схем существенной является степень взаимной когерентности используемых микроволноводных элементов, которая может служить критерием качества при выборе конструкции и формы микроволноводов в интерферометрических и голографических целях и которая определяет также подбор этих элементов в устройствах получения и восстановления голограмм без потери разрешения /5/. Рассмотрим взаимодействие волн, излучаемых двумя микроволноводами, выходные торцы которых расположены в одной плоскости параллельно друг другу. Полученная от суперпозиции этих волн интерферограмма представляет в то же время простейшую интегральную голограмму. Дополнительно к пятнистой структуре распределения интенсивности, которая наблюдалась для одиночного микроволновода, появляются четко выраженные вертикальные мелкие полосы. Они являются результатом интерференции световых волн от независимых волноводов, возбуждаемых одним и тем же источником когерентного излучения. Пространственная частота полос зависит только от расстояния между выходными торцами и не изменяется от

На рис.4 приведены интерферограммы, полученные на волне l = 0,63 мкм, слева - для круглых двуслойных микроволноводов диаметром d = 670 мкм и справа - для трубчатых волноводов, близких к одномодовым.

Рис.4. Интерферограммы, полученные на волне 0,63 мкм. Слева - для круглых двуслойных микроволноводов (d = 670 мкм), справа - для трубчатых волноводов, близких к одномодовым.

Спектральные компоненты также имеют части, соответствующие интерференции между световыми волнами, излучаемыми этими микро-волноводами /6/. Спектральная плотность энергии для этого случая, исходя из выражения (1), будет иметь вид:

где j_a и j_b - соответственно, распределения интенсивности в выходных плоскостях микроволноводов, а третий и четвертый члены определяются собственно интерференцией между ними. В предположении равномерного распределения интенсивности на выходе каждого из волноводов и идентичности их формы все члены уравнения (8) можно представить в виде (2), только центры координат третьего

и четвертого членов будут смещены относительно нулевой частоты на d/l r в противоположные стороны.

Учитывая степень когерентности между световыми волнами от излучающих торцов микроволноводов а и b, в предположении не полной их взаимной когерентности, получим:

Если пространство между выходными торцами достаточно велико, пятна спектрального распределения состоят из трех частей: низкочастотная составляющая и две высокочастотные компоненты. Для полного разделения между низко и высокочастотной составляющими, расстояние между выходными торцами должно быть большим: d>2d, соответствующая спектральная ширина 2d/l r и расстояние между спектрами d/l r (рис.5).

Рис.5. Разделение низкой высокочастотных составляющих.

Суммирование соответствующих членов выражения (9) в соответствующих спектральных областях дает полные энергии низко и высокочастотной составляющих

где . И тогда степень взаимной когерентности

Характерной особенностью этих схем является возможность плавной регулировки фазы сигнала в микроволноводных трактах за счет изменения (электрооптическим путем или под воздействием излучения) коэффициента преломления на участке D е>>l в оболочке двуслойного микроволновода, куда нaнocитcя, соответственно, электрооптический или фотохромный материал (например, linbo₃ или полиметилметакрилат). Поскольку основная часть энергии распространяется внутри сердечника, а коэффициент преломления меняется в незначительных пределах, это не приводит к изменению амплитуды волны (при сохранении условия полного внутреннего отражения на границе сердечник--оболочка). Таким образом, удается точно выполнять весьма малые изменения фазы за счет изменения оптического пути волны /7/.

Выбор длины участка D е определяется требуемым для регулировки рабочим диапазоном изменения фазы D j волны. Для плавной регулировки фазы на ± 2p достаточно изменения коэффициента преломления оболочки в третьем знаке.

Калиброванная регулировка фазы при наличии синфазных направленных элементов с локальной связью, где обеспечено изменение амплитуды в зависимости от угла между микроволне водными трактами по формуле (5) позволяет создавать требуемое распределение волнового фронта в пространстве. Такой многоканальный излучатель работает по принципу фазированных антенных решеток микроволнового диапазона. Выходные плечи многоканального синфазного разветвителя образуют системы диэлектрических микроиэлучателей, расположенных в пространстве по определенному закону. Независимое изменение амплитуды и фазы излучаемой волны в каждом тракте позволяет получить необходимые характеристики излучения. Такое устройство эквивалентно объемной линзе, призме или коллиматору, но характеризуется переменной геометрией, изменяемой в широких пределах электрическим путем.

Применение прямоугольных диэлектрических волноводов с 90° продольной скруткой в 50% выходных плеч образует две взаимноортогональные поляризации волн на выходе излучателя. Управляющие электрооптические элементы, установленные в трактах микроизлучателей, позволяют выключать тот или иной излучатель, т.е. изменять поляризацию волны. Одновременная работа обоих микроизлучателей, при введении в одно из плеч фазовращателя для 90-градусного временного сдвига фазы, обеспечивает получение волны с круговой или эллиптической поляризацией. Параметры эллипса поляризации регулируются электрически управляемыми переменными ослабителями в каналах излучателя. Такие элементы удобны для поляризационной голографии.

Следует особо отметить, что микроволноводы оптического диапазона могут быть выполнены на активных материалах, чувствительных к облучению волнами видимого света. Включаясь в различные интегрально-оптические схемы, такие микроволноводы могут служить в качестве активных функциональных узлов, например, преобразователей типов волн, гираторов, изоляторов, модуляторов, триггерных ячеек, переключателей и т.п. Малые управляющие напряжения делают перспективными для микроволноводов в качестве электрооптических материалов -- жидкие кристаллы, которые находят сейчас и другие голографические применения.

интегральнооптических /8/ электроуправляемых элементов, применение которых в интегрально-голографических схемах требует дополнительных исследований. На рис.6 (сверху вниз) для примера приведены соответственно магнитооптический модулятор интенсивности с переключением поляризации, акустооптические модуляторы световой волны (l =0,63 мкм) и тонкопленочный дефлектор /9,10/.

Рис.6. (Сверху вниз). Магнитооптический модулятор интенсивности с переключением поляризаций, акустооптические модуляторы световой волны (l = 0,63 мкм) и тонкопленочный дефлектор.

1. Д.И.Мировицкий, И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин. О принципах интегральной голографии и перспективах ее развития. "Проблемы голографии", вып.2, стр.101, 1973.

4. И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин, Д.И.Мировицкий. О методе парциальных волн в теории функциональных узлов интегральной оптики. "Оптика и спектроскопия", 23, вып.4, стр.736, 1972.

5. И.Ф.Будагян, С.Н.Камлюк, С.В.Лобов, В.В.Усатюк. Вопросы интерференционного взаимодействия микроволноводных волн. Докл. НТО "Голография и ее значение в народном хозяйстве", ВДНХ, 26.12.1973г.

6. t.susuki. interferometric uses of optical fiber, appl.phys., 5, n 11, р.1065, 1966.

7. Д.И.Мировицкий, И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин. Проблемы интегральной голографии. Сб. "Современное состояние и перспективы развития голографии". Изд. "Наука", в печати, 1974 г.

8. e.s.miller. a survey of integrated optics, j.quant.electron, 8, n 2, р.199, 1972.

9. p.k.tien, r.j.martin, r.wolfe, r.c.le craw, s.l.blanlc. switching and modulation of light in magnetooptic waveguides of garnet films, appl.phys.lett., 21, n 8, р.394, 1972.