Часть IV. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ

С появлением лазеров возник интерес к оптическим системам связи и информации. Развитие оптических систем связи и обработки информации в какой-то степени повторяет путь радиочастотной электроники от дискретных элементов и приборов к интегральной микросхемотехнике. Электрооптические и акустооптические элементы управления оптическим сигналом в микроисполнении появились практически сразу вслед за соответствующими объемными элементами. Миниатюризация элементов управления светом и обработки оптических сигналов прежде всего обеспечивала создание волоконно-оптических систем связи. Преимущества волоконной оптики стали очевидны уже в 60 - 70-х годах [1, 2]. К этим преимуществам относятся:

1. Высокая защищенность от помех и безопасность в отношении радиоперехвата и подслушивания.

2. Безопасность работы вблизи высоковольтных или сильноточных электрических цепей, безопасность в отношении короткого замыкания и замыкания на землю.

3. Малые потери при передаче (до

4. Большая пропускная способность (до

Преимущества волоконно-оптических систем передачи и обработки сигналов не исключают недостатков дискретных оптических элементов, требующих оптических скамей, юстировки отдельных элементов, хорошей защищенности от механических воздействий и т.д. Недостатки дискретных оптических систем затрудняют их применение именно там (авиация, космос, флот), где преимущества оптических систем проявляются особенно ярко. Естественный выход из этого положения - интеграция оптических элементов в единый блок при жесткой связи этого блока с оптическим волокном. Возможность создания таких интегрально-оптических схем (ОИС) возникла в 60-х годах с появлением оптических волноводов, реализуемых на оптически активных средах, прежде всего на кристаллах, обладающих пьезоэлектрическими, электр о оптическими и акусгоопгическими свойствами [3].

ОИС выполняются не из отдельных оптических узлов, а как объединенные структуры в едином технологическом процессе. Свет в таких схемах распространяется в приповерхностных слоях кристалла в волноводном режиме, и управление светом происходит в результате воздействия электрических или упругих полей, создаваемых структурами электродов, нанесенных на поверхность кристалла. ОИС являются интегральными в том смысле, что на одной кристаллической подложке может быть сформировано несколько функциональных

элементов, а волноводный слой и структура управляющих элементов создаются при технологических операциях, которые принципиально не отличаются от операций, используемых при изготовлении полупроводниковых интегральных схем. Однако интегральная оптика выдвигает новые, более высокие требования к технологии получения интегральных схем. Разработка технологии ОИС еще более обостряет материаловедческие проблемы, возникающие из-за отсутствия надежных сведений о структуре поверхностных слоев кристалла, диффузионных характеристиках, особенностях влияния ионной бомбардировки на многокомпонентные подложки и т.д. Широкое применение ОИС во многом сдерживается из-за невоспроизводимости технологии их получения.

Наиболее часто для управления оптическим лучом в ОИС применяются электрооптический и акустооптический эффекты. Поэтому кристаллы, которые могут находить применение в качестве подножек ОИС, это те же кристаллы, которые используются при создании объемных акустоопгических и электрооптических элементов. Кроме того, при создании акусто оптических устройств в интегральном исполнении важную роль играет возможность возбуждения в подножке поверхностных акустических волн, так как именно эти волны используются в ОИС дня реализации АО взаимодействия в приповерхностных волноводных слоях. В последнее время все чаще звучат требования о необходимости, кроме управления светом в ОИС, еще и генерации света в тех же поверхностных слоях. Генерация света в ОИС может быть получена использованием для ОИС активированных кристаллов для ламповой накачки либо кристаллов-полупроводников с созданием в поверхностном слое перехода и использованием электрической накачки.

Таким образом, кристалл, используемый в качестве подложки дня ОИС, должен обладать комплексом свойств, обеспечивающих его работоспособность. Такими кристаллами пока можно считать среди ионных кристаллов ниобат лития, а среди полупроводников - арсенид галлия, причем по объему практического применения и числу публикаций, посвященных исследованию свойств, технологии и применению, первенство следует отдать ниобату лития.

Основным элементом ОИС является приповерхностный слой, обеспечивающий распространение оптических волн в волноводном режиме, т.е. локализацию оптической энергии в поверхностном слое. Другие элементы технологии (создание перехода в создание встречно-штыревых пьезопреобразователей и др.) достаточно подробно описаны в специальной литературе. Поэтому здесь в основном будут рассматриваться свойства и технология получения волноводных слоев в кристаллах ниобата лития. Для того чтобы ввести характеристики волноводных слоев и связать их с технологическими режимами получения, следует рассмотреть основные свойства волновода [4, 5].