integrierte Optik

integrierte Ọptik,

 

Bereich der Optik, der sich mit dem Aufbau integrierter optischer Festkörperschaltkreise befasst, die analog den integrierten Schaltungen der Elektronik mehrere miniaturisierte optische Funktionselemente wie Spiegel, Linsen, Filter und Prismen enthalten und auf einer gemeinsamen Trägerplatte (Chip) hergestellt werden. Rein optisch arbeitende integrierte Bausteine (Modulatoren, Verstärker, Filter) in Kombination mit Lichtleitern ermöglichen eine direkte Informationsverarbeitung ohne Umwandlung in elektrische Signale. Da dabei Lichtquanten (Photonen) als Träger der Information dienen, bezeichnet man die Informationsverarbeitung mittels integrierter Optik und die Übertragung über Lichtleiter auch als Photonik. Als Lichtleiter dienen Laserdioden, als Empfänger Photodioden. Werden diese optoelektronischen Bauelemente auf dem gleichen Chip integriert, spricht man auch von integrierter Optoelektronik. Der Transport der Lichtimpulse erfolgt in dielektrischen Wellenleitern, die in ein Material mit kleinerer Brechzahl (Substrat) eingebettet sind, sodass die Lichtwellen durch Totalreflexion geführt werden. Man unterscheidet zweidimensionale (planare) Dünnschichtleiter (Schichtdicke < 1 μm), in denen sich eine optische Welle sowohl längs als auch quer ausbreiten kann, und Streifenleiter, bei denen die Streifenbreite im Bereich weniger Lichtwellenlängen liegt, sodass die Ausbreitung der Welle nur in Längsrichtung und in bestimmten Amplitudenverteilungen (Moden) über den Wellenleiterquerschnitt möglich ist. Durch Aufspaltung eines Leiters in zwei oder mehrere Leiter kann man optische Kanäle verzweigen oder zusammenführen. - Durch Dickenänderung oder Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Licht führenden Schichten lassen sich miniaturisierte Bauelemente der Optik wie Linsen, Prismen und Gitter bilden. - An einer periodischen Oberflächengitterstruktur wird eine im Wellenleiter geführte Welle, die unter einem bestimmten Winkel auftrifft, reflektiert. Diese extrem richtungs- und frequenzselektive Bragg-Reflexion kann als planares Filter- oder Koppelelement und als Laserspiegel eingesetzt werden. Andere Filter, die Licht einer bestimmten Frequenz aus einem Frequenzspektrum aussortieren, bestehen aus zwei parallelen Wellenleitern, zwischen denen ein kreisförmiger Leiter (Ringresonator) angeordnet ist, der aufgrund seiner Abmessungen auf eine wohldefinierte Frequenz abgestimmt ist. Breitet sich in einem Wellenleiter Licht mit verschiedenen Frequenzen aus, so kann nur Licht mit der Resonanzfrequenz des Ringes in den Ring und von diesem dann in den zweiten Wellenleiter gekoppelt werden. Die Einkopplung des Lichtes von einem externen Laser in den integrierten optischen Schaltkreis ist über ein Prisma oder ein Oberflächengitter auf dem Wellenleiter möglich.

 

Als Wellenleiter sind dielektrische Materialien geeignet, die im infrage kommenden Spektralbereich des Lichtes transparent sind. Da das Licht in integrierten optischen Bauelementen nur kurze Wege zurücklegen muss, ist eine Dämpfung bis etwa 1 dB/cm akzeptabel. Für die Fernübertragung der optischen Signale stehen wesentlich verlustärmere Glasfasern als Lichtleiter zur Verfügung. Zu den Bauelementen der integrierten Optik gehören ferner Modulatoren, Schalter und Ablenkelemente, mit denen unter Ausnutzung elektro-, magneto- oder akustooptischer Effekte in Wellenleitern Phase, Polarisation oder Ausbreitungsrichtung von außen beeinflusst werden können.

 

Literatur:

 

K. J. Ebeling: Integrierte Optoelektronik (²1992);

 R. G. Hunsperger: Integrated optics (Berlin ⁴1995).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Photonik und Mikrotechnik: Von der Videokamera bis zum Flachbildschirm