книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

В пространственном модуляторе коэффициент пропускания является управляемым в различных точках, например электрическим сигналом

T xi , yi , E xi , yi , i 1, 2, 3....

Основным элементом ПМС является слой, обладающий продольным электрооптическим эффектом. На его поверхности записывается определенный потенциальный рельеф. Проходящий через этот слой широкий пучок света оказывается промодулированным в каждой точке поперечного сечения в соответствии с потенциальным рельефом, записанным на поверхности. При этом в зависимости от направления поляризации света его модуляция может быть амплитудной или фазовой.

Принципиальная схема ПМС с оптической записью информации приведена на рис. 4.10. На оптически прозрачной подложке размещают электрооптический и фотопроводящий слои, разделенные диэлектрическим зеркалом. Снаружи располагаются прозрачные электроды, к которым приложено постоянное напряжение. В отсутствие света это напряжение приложено к фотослою, обладающему высоким темновым сопротивлением. Падающий слева свет уменьшает сопротивление фотопроводника, и напряжение в освещенной точке оказывается приложенным к электрооптическому слою.

Таким образом, изображение, проецируемое слева на модулятор, создает пространственный рельеф на электрооптическом слое. Падающий справа свет используется для считывания информации.

Рис. 4.10. Пространственный модулятор света с оптической записью информации: 1 – электрооптический кристалл; 2 – фотопроводник; 3 – диэлектрическое зеркало; 4 – прозрачные электроды

71

В качестве электрооптического слоя применяют электрооптические или жидкие кристаллы. Жидкий кристалл (ЖК) обладает оптической анизотропией. Диэлектрические проницаемости вдоль оси молекул ε и в направлении, перпендикулярном оси, различны. При

наложении электрического поля молекулы стремятся повернуться так, чтобы иметь наибольшую диэлектрическую проницаемость вдоль поля. Упругие силы стремятся вернуть их в исходное положение. Показатель преломления ЖК в электрическом поле меняется. Полуволновое напряжение в ЖК составляет несколько вольт. Характерное время

электрооптического переключения ЖК составляет 10 3 c.

Достоинствами ЖК ПМС являются: низкое рабочее напряжение, удовлетворительное разрешение 60–100 линий/мм, малая толщина слоя жидкого кристалла 2–50 мкм.

Недостатки: высокая чувствительность к температуре, малое время хранения записанной информации и большое время записи.

Применение. ПМС используются для преобразования некогерентного изображения в когерентное, сложения и вычитания изображений, выделения движущейся части изображения.

4.5. ОПТРОНЫ3

Оптрон – оптоэлектронный прибор, состоящий из оптического излучателя и фотоприемника, объединенных один с другим в оптические и электронные связи и помещенных в общий корпус.

Физическую основу работы оптрона составляют процессы преобразования электрического сигнала в оптические в излучателе и оптических сигналов в электрические в фотоприемнике, а также процессы передачи этих сигналов по оптическим каналам и электрическим цепям. Излучателем в оптроне обычно служит светодиод на основе AlGaAs или GaAsP, материалом оптического канала – прозрачные полимеры, стекла, волоконные световоды, воздух. В цепи электрической связи могут дополнительно включаться микроэлектронные блоки.

Типы связей между излучателем и фотоприемником определяют функциональные возможности оптрона. На рис. 4.11, а показана схема прямой электрической связи в приборе с оптическими входом и выходом, обеспечивающими преобразование излучения, например из инфра-

3 По материалам работ [1, 3].

72

красного в видимое. На рис. 4.11, б показана прямая оптическая связь электрических входа и выхода, играющая роль гальванической развязки. На рис. 4.11, в показан регенеративный оптрон с прямой электрической и положительной обратной оптической связями. На рис. 4.11, г – оптрон с открытым оптическим каналом связи. На рис. 4.11, д – оптрон с управляемым оптическим каналом связи.

Рис. 4.11. Электрические и оптические связи в оптронах: 1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – микроэлектронный блок;

4 – отражатель; 5 – управляемая оптическая среда

Наибольшее распространениеполучили оптопары– оптроныс прямой оптической связью (см. рис. 4.11, б). Они обладают полной гальванической развязкой входа и выхода, высокой электрической прочностью, однонаправленностью потока информации по оптическому каналу, отсутствием обратного воздействия фотоприемника на излучатель, широкой полосой пропускания, большим сроком службы, малыми габаритами и массой. К выходу оптрона подключают усилители и преобразователи фотосигналов, обычно в интегральном исполнении.

Рис. 4.12. Диодно-диодный оптрон с внутренней оптической связью [2]

73

На рис. 4.12 показан пример конструкции диодной оптопары. В качестве фотоприемника используется фотодиод на основе кремния, излучателемслужитинфракрасныйизлучающий диодсдлиной волны1 мкм.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Долгопрудный: Интеллект, 2012. – Т. 2. – 784 с.

2.Парыгин В.Н., Балакшин В.И. Оптическя обработка информа-

ции. – М., 1987.

3.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: учеб. пособие. –

СПб.: Лань, 2011. – 544 с.

74

ГЛАВА 5. ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

5.1. ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД

Световод (волновод оптический) – закрытое устройство для направленной передачи света.

Волоконный световод (ВС) представляет собой длинную гибкую нить из оптически прозрачного материала. Сердцевина нити с радиусом a1 имеет показатель преломления. В зависимости от назначения

световода диаметр сердцевины составляет от нескольких микрометров до сотен микрометров. Диаметр оболочки – от нескольких десятков микрометров до тысячи микрометров. Оболочка радиуса a2 имеет по-

казатель преломления n2 , меньший n1 . Число типов колебаний (мод),

которые могут распространяться по ВС, пропорционально квадрату диаметра сердцевины и разности показателей преломления сердцевины

и оболочки n n1 n2. Уменьшая произведение 4a12 n, получаем од-

номодовый режим.

Распространены три типа ВС: многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, одномодовые и многомодовые с градиентным профилем показателя преломления (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Поперечное сечение и профиль показателя преломления по сечению световодов: а – многомодовый ступенчатый; б – одномодовый ступенчатый;

в – многомодовый градиентный волновод (градан)

75

В одномодовых ВС обычно 2a1 5...10 мкм (для ближнего ин-

фракрасного диапазона), в многомодовых – от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Разность n 1...2 % для многомодо-

вых световодов, для одномодовых – несколько долей процента.

5.1.1. Характеристики волоконных световодов

Важнейшие характеристики: оптические потери, дисперсия групповой скорости, оптическая нелинейность и механическая прочность.

Минимальные возможные оптические потери составляют0,16 дБ/км для волны 1,55 мкм. Материалом служит кварцевое

стекло. Различие показателей преломления сердцевины и оболочки зависитотспособалегированиястекла: фтором, германием илифосфором.

Потери в волоконном световоде:

–к фундаментальным механизмам оптических потерь в кварцевых стеклах относится поглощение, обусловленное электронными переходами на длине волны 0,8 мкм, которое не превышает 1 дБ/км;

–ИК-поглощение, обусловленное колебаниями решетки. Оно составляет несколько децибелов на километр при значениях длины волны >1,8 мкм;

–релевское рассеяние света на неоднородностях состава и значениях плотности стекла, меньших длины волны. На длине 0,8 мкм

не превышает несколько децибелов на километр.

Таким образом, наибольшую прозрачность кварцевое стекло имеет в диапазоне 0,8–1,8 мкм (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Спектральные зависимости оптических потерь в кварцевом стекле, легированном германием: 1 – поглощение, обусловленное электронными переходами; 2 – релевское рассеяние; 3 – поглощение, обусловленное колебаниями решетки; 4 – суммарные потери

76

Для одномодового кварцевого световода кривая дисперсии групповой скорости проходит через нуль вблизи 1,3 мкм. В этом дипазоне информационная полоса пропускания одномодовых волоконных световодов максимальна и составляет 1011 Гц км (рис. 5.3, 5.4).

Рис. 5.3. Спектр оптических потерь одномодового волоконного световода

Рис. 5.4. Спектр оптических потерь. Минимальные возможные потери составляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм, показано вертикальной стрелкой (а), и график зависимости дисперсии групповой скорости от длины волны (б)

Оптическая нелинейность в стеклянных волноводах возникает из-за зависимости показателя преломления от интенсивности лазерного излучения n n0 n3I. Вследствие изотропии материала сердцевины

77

СИ n3 3,2 10 16 cм2 /Вт. Уменьшение диаметра сердцевины до 10 мкм и низкие оптические потери позволяют поддерживать высокую интенсивность излучения порядка 1010 Вт/см2 на длинах световода порядка 1 км. Первая стоксова компонента вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) наблюдается при мощности накачки в несколько сотен милливатт. Спектр комбинационного рассеяния в кварцевых стеклах широк, и с помощью дисперсионного элемента можно получать перестройку частоты порядка 300 см 1.

Нелинейным эффектом, имеющим практическое применение, является солитонный режим распространения оптических импульсов, который наблюдается в волоконном световоде в спектральной области отри-

цательной дисперсии групповой скорости при 1,3 мкм (см. рис. 5.4).

В идеальном световоде без потерь оптический солитон распространяется безизмененияформы.

Теоретическая механическая прочность ВС из кварцевого стекла на разрыв составляет 20–25 ГПа. Для покрытых полимерной пленкой – 5–6 ГПа. Для покрытых герметичной металлической пленкой лабораторных образцов – 12–15 ГПа (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Функции распределения прочности волоконных световодов на основе кварцевого стекла: а – с полимерным покрытием; б – с металлическими покрытиями (наиболее прочным является покрытие оловом)

5.1.2. Технология изготовления и применения световодов

Волоконные световоды изготавливаются методом химического осаждения из газовой фазы. В качестве исходных материалов используют кислород и хлориды кремния, германия фосфора и др. Получае-

78

мая заготовка диаметром 20–30 мм и длиной 400–1000 мм перетягивается в волоконный световод диаметром 100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки. К новым методам относится вытягивание из расплава нитевидных кристаллов или экструзия (выталкивание) поликристаллических волоконных световодов.

Для передачи изображений применяются жгуты с регулярной укладкой ВС. Разрешающая способность таких жгутов определяется диаметром сердцевины световода, числом волокон и составляет 10–50 линий на 1 мм в поперечнике. Широкое применение получили волокон- но-оптические диски, вырезанные поперек из плотно спеченных ВС. Такие диски, на внутреннюю поверхность которых наносится люминофор, используются в электронно-лучевых трубках вместо входного стекла. Это дает возможность контактно фотографировать. Высококачественные вакуум-плотные волоконные диски диаметром до 150 мм, содержащие несколько сотен миллионов ВС, обладают разрешающей способно-

стью до 100 линий на 1 мм2.

Для интегральной оптики разработаны планарные волноводы-све- товоды в виде тонкой пленки толщиной порядка длины волны, нанесенной на подложку. Условие волноводного режима заключается в том, что показатель преломления пленки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрический световод изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации.

5.1.3. Специальные волноводы. Фокон, градан, сельфок

Оптика неоднородных сред – раздел физической оптики, в котором изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучения в оптически неоднородных средах, показатель преломления которых не постоянен, а зависит от координат.

Характер явления и методы его исследования существенно зависят от характера изменения n масштаба неоднородностей по сравнению с длиной волны света . Оптическими неоднородностями являются поверхности или объемы внутри среды, на которых изменяется показатель преломления n. Независимо от природы неоднородности, она

79

всегда отклоняет свет от его первоначального направления. На поверхностях, разделяющих среды с различными n, происходит отражение и преломление света.

В среде с непрерывно изменяющимся n, когда относительное изменение n на расстояниях, сравнимых с , очень мало (градиентная

среда), световой луч, задаваемый величиной градиента grad S n dr , dS

в каждой точке поверхности S(x, y, z) меняет направление в зависимо-

сти от неоднородностей пространства, что приводит к его искривлению (рефракции).

Кривизна луча при этом

nc grad n n r ,

S S

илуч загибается в область с большим показателем преломления n.

Вградиентно-оптической среде уравнение эйконала имеет вид

(grad S)2 n2 x, y, z .

Его решение позволяетопределить волновые поверхности S(x, y, z) и ортогональные кэтойповерхностилучи r x, y, z .

Из этого уравнения получается соотношение для траектории светового луча

Это уравнение допускает ряд частных решений, удовлетворяющих принципу «абсолютного прибора».

Абсолютным прибором называется оптическая система, дающая стигматическое, т.е. резкое, без аббераций (искажений) изображение трехмерного предмета.

Фокон (фокусирующий конус) – конусообразный единичный ВС или жгут из спеченных вместе ВС с плоскими торцами – используется для изменения масштаба передаваемого изображения или концентрации света в оптической системе с малой угловой апертурой.

80