До сих пор рассматривались пассивные элементы. Важным шагом в
развитии интегральной оптики явилось создание миниатюрных источников и
приемников света, модуляторов, переключателей. Они служат активной
частью интегральных схем, способных генерировать свет и управлять его
параметрами. Все эти эле-
менты, несмотря на разные функции, прекрасно уживаются на одной подложке
из арсенида галлия (GaAs). Пока это единственный материал, в котором
реализованы все функции. На его основе создан лазер размером в спичечную
головку. Работает лазер в непрерывном режиме при комнатной температуре и
имеет большой срок службы.
Ярко выраженный электрооптический эффект в арсениде галлия (GaAs) делает
этот кристалл прекрасным материалом для волноводных модуляторов. Изменяя
с помощью модуляторов параметры световой волны - фазу, амплитуду или
частоту, в нее вводят определенную информацию. Вопросы модуляции света
рассмотрим в гл. 5, а сейчас остановимся на тех модуляторах, которые
наиболее перспективны для интегральной оптики.
Прежде всего - это электрооптические модуляторы, в которых использован
линейный эффект Поккельса. В настоящее
время они более разработаны, чем волно-водные акусто- и
магнитооптические модуляторы. Электрооптический модулятор представляет
собой волновод, поверх которого наложен контакт для подключения
управляющего напряжения. Как известно, чтобы пленка действовала как
волновод, ее показатель преломления должен быть больше показателя
преломления подложки. Но волновод станет модулятором при условии, если
материал пленки, либо подложки, или пленки и подложки одновременно
обладает электрооптическим эффектом. Существование таких комбинаций
объясняется тем, что световая волна, распространяясь в пленке, проникает
также в подложку. Поэтому для ее модуляции по крайней мере один из слоев
волновода должен обладать электрооптическим эффектом.
Введем в волновод каким-либо из описанных выше способов свет лазера.
Приложенное электрическое поле изменяет показатель преломления
электрооптического материала так, что свет в волноводе претерпевает
изменение фазы. Как и в объемном модуляторе, показатель преломления в
волноводе меняется пропорционально амплитуде электрического поля.
Изготавливают электрооптический модулятор обычно в виде слоя чистого
ар-сенида галлия на подложке л-типа из того же материала. Присутствие
свободных носителей в полупроводниковой подложке понижает ее показатель
преломления по сравнению с чистым веществом. Этого скачка показателя
преломления вполне достаточно для волноводного распределения света.
Превосходным материалом для электрооптических модуляторов оказалась
также двойная структура GaAs - GaAlAs. Волноводный слой в них из GaAs
заключен между слоями GaAlAs, обладающими более низким показателем
преломления.
Благодаря малой толщине волноводной пленки (0,2...20 мкм), для
управления модулятором требуется удельная мощность в 10...1000 раз
меньшая, чем для объемных модуляторов. Уже сейчас реализованы
волноводные модуляторы с удельной энергией порядка 0,1 мВт/МГц, а в
недалеком будущем можно ожидать снижение ее до 10 мкВт/МГц.
Перспективы применения волноводных модуляторов необычайно широки как в
видимом, так и ближнем инфракрасном
диапазонах. Их используют, например, в волоконно-оптических линиях
связи. Однако при всех достоинствах -миниатюрности, низкой управляющей
мощности, малом напряжении и токе - волноводные модуляторы не могут
полностью заменить объемные. Из-за высокой концентрации света в
волноводе уже при мощности лазера около 0,5 Вт возникают нелинейные
эффекты, которые нарушают работу модулятора. Поэтому для управления
лазерным пучком большой мощности, по-видимому, будут использоваться
объемные модуляторы.
В качестве приемников излучения в устройствах интегральной оптики
используют фотодиоды. Это связано не только с их высокой
фоточувствительностью и быстродействием, но и с совместимостью
фотодиодных структур с волноводными.
В ближней ИК области (0,8...1 мкм) хорошо зарекомендовал себя кремниевый
фотодиод. На рис. 46, о этот диод изображен в качестве
интегрально-оптического фотоприемника в гибридной схеме-. Подложкой в
диоде служит кремниевая пластинка, на которую наносится стеклянный
оптический волновод. Волновод изолируется от подложки слоем окиси
кремния (Si02) - материалом с более низким показателем преломления. В
области сужения волновода в кремнии на глубине 1 мкм от поверхности
формируют р-и-переход, работающий как детектор. Поверх области
р-л-перехода нанесены электроды. Свет из волновода попадает на
кремниевую подложку и поглощается, высвобождая свободные носители тока.
Электроды, создавая электрическое поле, собирают заряды, что порождает
фототок во внешней цепи. В среднем ИК диапазоне волн применяют фотодиоды
на основе CdHgTe, а также PbSnTe на подложке из РЬТе и PbSnSe на
подложке из фтористого бария BaF2. Обнаружительная способность таких
фотоприемников достаточно высока. Так, на длине волны 10,6 мкм она
составляет 1О10...Юп см Гц1/2 Вт-1. В монолитных интегральных схемах,
где фотодиод конструктивно объединен с лазером, модулятором и
волноводом, в качестве подложки используют низкорезистивный GaAs, на
который наносят слой высокорезистивного арсенида галлия (рис. 46, б).
Этот слой толщиной несколько микрон служит волноводом. В волноводе
вытравливают углубление, где выращивают кристалл InGaAs, поверх
Рис. 46. Схемы интегрально-оптических детекторов
на основе кремния (a), InGaAs (б), GaAlAs (в) и спектрально-селективный
приемник (г): 1 - волновод: 2 - электрод; 3 - изолятор; 4 - поглощающий
слой которого напыляют платиновые электроды.
Другой тип фотоприемника среднего ИК диапазона на GaAs подложке
изображен на рис. 46, в. Фотоприемник из GaAs выращен в углублении
Gao.7Alo.3As волновода и подложки из GaAs. Волновод изолирован от
подложки слоем Ga09Al01As.
Последние годы характеризуются интенсивной разработкой
спектрально-селективных приемников. Такой приемник объединяет на одной
подложке несколько диодов, работающих в разных спектральных диапазонах
(рис. 48, г). Так, на CdTe подложке выращивают волноводный слой из
CdHgTe с градиентом состава по толщине слоя, поверх которого формируется
слой с большим коэффициентом поглощения, а затем фотодиодные структуры.
В принципе, селективный приемник может быть изготовлен на основе PbSnSe,
PbSnTe или PbSSe. Такие фотоприемники работают при температурах, близких
77 К. Длинноволновая граница их фоточувствительности определяется
выбором состава материала поглощающего слоя, а коротковолновая -
подбором градиента составов волноводного слоя и прилегающей к нему
области поглощающего слоя. Таким образом, например, можно менять границу
чувствительности PbSnTe от 5,7 до 30 мкм при температуре 77 К.
Интегральная оптика только начинает развиваться. Сейчас все усилия
ученых направлены на решение таких задач, как подбор материалов,
пригодных для интегральной оптики, разработку более эффективных
элементов, совершенствование технологии их изготовления.
