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 элементы, 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.


Прежде всего — это электрооптические модуляторы, в которых использован линейный эффект Поккельса. В настоящее время они более разработаны, чем волноводные 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 арсенида 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 — GaAIAs. Волноводный слой в них из GaAs заключен между слоями GaAIAs, 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. Подложкой в диоде служит кремниевая пластинка, на которую наносится стеклянный оптический волновод. Волновод изолируется от подложки слоем окиси кремния (SiO2) — материалом с более низким показателем преломления. В области сужения волновода в кремнии на глубине 1 мкм от поверхности формируют р-n-переход, работающий как детектор. Поверх области р-n-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 СdHgTe, а также РbSnTe на подложке из РbTe и РbSnTe на подложке из фтористого бария ВaF2. Обнаружительная способность таких фотоприемников достаточно высока. Так, на длине волны 10,6 мкм она составляет 10'°...10ˆ11 см • Гц1/2 Втˆ-1. В монолитных интегральных схемах, где фотодиод конструктивно объединен с лазером, модулятором и волноводом, в качестве подложки используют низкорезистивный GаАs, на который наносят слой высокорезистивного арсенида галлия. Этот слой толщиной несколько микрон служит волноводом. В волноводе вытравливают углубление, где выращивают кристалл InGaAs, поверх которого напыляют платиновые электроды.


Другой тип фотоприемника среднего ИК диапазона на GaAs. Фотоприемник из GaAs выращен в углублении Ga0,7AI0,3As волновода и подложки из GaAs. Волновод изолирован от подложки слоем Ga0,9AI0,1As.


Последние годы характеризуются интенсивной разработкой спектрально-селективных приемников. Такой приемник объединяет на одной подложке несколько диодов, работающих в разных спектральных диапазонах . 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 РbSnSe, РbSnTe или РbSSе. 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 РbSnТе от 5,7 до 30 мкм при температуре 77 К.