Волноводный модулятор света
Использование: интегральная оптика, в оптических системах обработки информации для модуляции интенсивности световых пучков или выполнения логических операций . Сущность: модулятор снабжен двумя высокоотражающими зеркалами, образующими резонатор Фабри-Перо, фотохромный несущий слой расположен внутри резонатора, а подложка волновода выполнена из прозрачного оптического материала . Пропускание резонатора сильно зависит от потерь, определяющихся коэффициентом поглощения фотохромного материала, что позволяет осуществить модуляцию, например , окрашивающего излучения, падающего на резонатор из воздуха, путем изменения интенсивности каналируемого обесцвечивающего излучения. При этом изИзобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в оптических системах обработки информации для модуляции интенсивности световых пучков или выполнения логических операций. Цель изобретения - повышение эффективности модуляции управляемого свободного светового пучка путем повышения менение интенсивности каналируемого обесцвечивающего излучения .может быть осуществлено высокоэффективными интегрально-оптическими модуляторами. Для увеличения рабочего поперечного сечения модулируемых световых пучков в резонатор введен второй несущий волноводный слой, расположенный на поверхности первого несущего волноводного слоя, выполненный из прозрачного материала с показателем преломления , превышающим показатель преломления первого несущего слоя, и снабженный средством для вывода излучения в подложку, а зеркала выполнены высокоотражающими как для окрашивающего, так и для обесцвечивающего излучения. Кроме того, в резонатор введен дополнительный несущий волноводный слой, выполненный из фотохромного материала и расположенный на свободной поверхности подложки, а модулятор снабжен средством для возбуждения в дополнительном волноводе направляемого обесцвечивающего излучения . Это позволяет использовать модулятор в качестве логического элемента М, поскольку состояние высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только при одновременном обесцвечивании двух фотохромных несущих слоев. 2 з.п.флы, 3 ил. глубины модуляции при одновременном уменьшении внесенных потерь. Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, На фиг.1а,б приняты следующие обозначения: 1 - плоскопараллельная диэлектрическая подложка, 2 - первая поверхность подложки, 3 - вторая поверхность подложки , 4 - первый волноводный слой, 5 - опти-, (Л С 00 О СП . ы ON
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 02 F 1/03
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4761138/25 (22) 23.11.89 (46) 30.03.93. Бюл, N 12 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина (72) А.Д.Гутенко и Ю.П.Удоев (56) Гиббс Х. Оптическая бистабильность, М.: Мир, 1988, с. 520.
Петровский Г.Т, и др. — Квант электрон, 1981, т.8, М 10. (54) ВОЛНОВОДНЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА (57) Использование: интегральная оптика, в оптических системах обработки информа° ции.для модуляции интенсивности световых пучков или выполнения логических операций. Сущность: модулятор снабжен двумя высокоотражающими зеркалами, образующими резонатор Фабри-Перо, фотохромный несущий слой расположен внутри резонатора, а подложка волновода выполнена из прозрачного оптического материала. Пропускание резонатора сильно зависит от потерь, определяющихся коэффициентом поглощения фотохромного материала, что позволяет осуществить модуляцию, например, окрашивающего излучения, падающего на резонатор иэ воздуха, путем изменения интенсивности каналируемого обесцвечивающего излучения, При этом изИзобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в оптических системах обработки информации для модуляции интенсивности световых пучков или выполнения логических операций.
Цель изобретения — повышение эффективности модуляции управляемого свободного светового пучка путем повышения
„„5U„„1865436 А1 менение интенсивности каналируемого обесцвечивающего излучения может быть осуществлено высокоэффективными интегрально-оптическими модуляторами. Для увеличения рабочего поперечного сечения модулируемых световых пучков в резонатор введен второй несущий волноводный слой, расположенный на поверхности первого несущего волноводного слоя, выполненный из прозрачного материала с показателем преломления, превышающим показатель преломления первого несущего слоя, и снабженный средством для вывода излучения в подложку, а зеркала выполнены высокоотражающими как для окрашивающего, так и для обесцвечивающего излучения.
Кроме того, в резонатор введен дополнительный несущий волноводный слой, выполненный из фотохромного материала и расположенный на свободной поверхности подложки. а модулятор снабжен средством для возбуждения в дополнительном волноводе направляемого обесцвечивающего излучения. Это позволяет использовать модулятор в качестве логического элемента
И, поскольку состояние высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только при одновременном обесцвечивании двух фотохромных несущих слоев. 2 э.п,ф.лы, 3 ил. глубины модуляции при одновременном уменьшении внесенных потерь.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 — 3, На фиг,1а,б приняты следующие обозначения: 1 — плоскопараллельная диэлектрическая подложка, 2 — первая поверхность подложки, 3 — вторая поверхность подложки, 4 — первый волноводный слой, 5 — опти-, 1805436
4 ческий изолирующий слой, 6 — высокоотражающее зеркало, 7 — рабочая зона, 8 — источник квазимонохроматического коллимированного управляемого излучения с длиной волны А,, 9 — средство для возбуждения. в волноводе каналируемого квазимонохроматического управляющего излучения с длиной волны А .
На фиг,2а,б и фиг,3 обозначены: 10— второй волноводнь1й слой, 11 — средство для вывода управляющего излучения из волновода в подложку, 12 — дополнительный волноводный слой, 13 — дополнительное средство для возбу>кдения в дополнительном волноводе каналируемого квазимонохроматического управляющего излучения, На первой поверхности 2 плоскопарал лельной диэлектрической подложки 1 имеется первый волноводный слой 4, выполненный из фотохромного или фоторефрактивного материала, и:оптические изолирующие слои 5. В области рабочей зоны 7, освещаемой источником 8 квазимонохроматического коллимированного управляемого излучения, на поверхности оптического изолирующего слоя расположено первое высокоотра>кающее зеркало
6 . Симметрично с ним на второй поверхности 3 подложки 1 расположено второе высокоотра>кающее зеркало 6". С помощью средства 9 в первом волноводном слое 4 возбуждается каналируемое управляющее излучение, Средство 9 содержит источник квазимонохроматического управляющего излучения, элементы связи с первым волноводным слоем и средство для изменения интенсивности Ill управляющего излучения, причем упомянутые источник, элементы связи и средство для изменения интенсивности могут быть интегрированы на общей подложке 1. Два высокоотра>кающих зеркала 6 образуют резонатор Фабри-Перо, Показатели преломления и толщины сред внутри разонатора выбраны по соотношению о
n(z)dz = m 1с/2 . (I) где m — целое чИсло; d — расстояние между высокоотражающими зеркалами, n(2)— профиль показателя преломления внутрирезонаторной среды вдоль нормали к зеркалам в состоянии высокого пропускания резонатора.
Подложка 1 выполнена из материала, прозрачного по крайней мере на длине волны с. Оптический изолирующий слой выполнен из материала, прозрачного для излучения с длинами волн Л О, Л с, с показателем преломления nl 55 каналирует две группы мод: моды, имеющие эффективный показатель преломления Nm В случае фотохромного волноводного слоя управляемое излучение может быть окрашивающим, а управляющее — обесцвечивающим. В этом случае средство 9 обеспечивает по крайней мере два состояния интенсивности lg. В одном из них (состо"0 яние ДА) отношение 1О к интенсивности!, таково, что в области рабочей зоны волноводного слоя скорость обесцвечивания фоToxpoMxoI0 материала превышает скорость окрашивания. В другом состоянии (состоя"5 ние НЕТ) отношение!в/!с таково, что скоро-. сть обесцвечивания меньше скорости окрашивания. В случае фоторефрактивного волноводного слоя управляемое излучение является неактиничным, а управляющее— актиничным. В этом случае средство 9 также обеспечивает по крайней мере два указанных состояния интенсивности Ill. В одном из них выполняется соотношение (1), а в другом осуществляется расстройка резонансного условия (1) на величину порядка полуширины аппаратной функции разонатора. Модулятор, показанный на фиг.1,6 отличается от модулятора на фиг,1а лишь тем, 30 что одно из зеркал расположено на первой поверхности подложки, а между этим зеркалом и волноводным слоей имеется второй оптический изолирующий слой. Модулятор, изображенный на фиг.2а,б 35 отличается от модулятора на фиг,1а,б лишь тем, что между первым зеркалом 6 и первым волноводным слоем 4 имеется второй волноводный слой 10, рабочая зона которого снабжена-средством 11 для вывода излу40 чения из волновода в подложку, причем зеркала 6 выполнены высокоотражающими как для управляемого, так и управляющего излучения, Первый волноводный слой выполнен из фотохромного материала с показателем преломления пц. Второй волноводный слой 10 выполнен из прозрачного для управляемого и управляющего излучения материала с показаталем преломления пт2>пц. Составной волновод 1805436 30 будет приводить к увеличению максималь35 ного пропускания резонатора и к уменьшению минимального пропускания, т.е, к 50 A= А в(Nm, (2) где N — эффективный показатель преломления рабочей моды, Nm>n<1. а высота гофра известным методом выполнена возрастающей по ходу направляемой волны и обеспечивающей равномерное распределение плотности мощности управляющего излучения по сечению выведенного в подложку пучка. Модулятор, показанный на фиг.3, отличается от модулятора на фиг.1б лишь тем, что между второй поверхностью 3 подло>кки 1 и зеркалом 6" имеются дополнительный волноводный слой 12 и оптические изолирующие слои 5, а модулятор снабжен дополнительным средством 13 для возбуждения в дополнительном волноводе каналируемого квазимонохроматического уп равля ющего излучения, причем дополнительный волно водный слой выполнен из фотохромного или фоторефрактивного материала, Модулятор, изображенный на фиг,1а,б в случае фотохромного волноводного слоя работает следующим образом. Максимальное пропускание Т резонатора равно т= 1R> — ",— p) (1 — Р А) где R — коэффициент отражения зеркал для управляемого излучения, А = ехр(- h), а, — коэффициент поглощения управляемого излучения, h — толщина фотохромного слоя, При состоянии HET интенсивности Ig фотохромный материал окрашивается и пропу скание резонатора уменьшается как вследствие увеличения Q<, так и возможного нарушения условия резонанса (1), При переходе в состояние ДА интенсивности 4 управляющего обесцвечивающего излучения фотохромный материал обесцвечивается и пропускание Т резонатора увеличивается как вследствие уменьшения й, так и уменьшения расстройки от условий резонанса (1). Диэлектрическая подложка толщиной 2 — 4 мм может быть выполнена из 4 кварца, первый волноводный слой толщиной h 100 мкм — из фотохромного стекла Corning М 5. Оптические изолирующие слои могут быть приготовлены термическим распылением порошка SiOz. Высокоотражающие зеркала с коэффициентом отражения 0,9 могут быть приготовлены путем термического распыления алюминия, Если в качестве управляемого излучения используется излучение He-Cd лазера с длиной волны генерации i4= 0,32 мкм. а в качестве управляющего излучения — излучение Ar-лазера с длиной волны генерации Л = 0,51 мкм, то управляемое излучение будет приводить к окрашиванию рабочей эоны волноводного слоя, а управляющее — к обесцвечиванию. Коэффициенты поглощения фотохромного стекла Corning N 5 на длине волны 0,32 мкм составляют 3 см в обесцвеченном состоянии и - 7 см в окрашенном состоя-1 нии, Без резонатора и при выполнении подложки из .того же фотохромного стекла согласно выражениям (1), (2) минимальное пропускание Т,> = 0,23. максимальное и ропускание Т = 0,239 для h = 100 мкм, d = 2 мм. При этом глубина модуляции rn = 0,04,.внесенные потери составляют 6,2 дБ. Из выражения (3) следует, что йри наличии резонатора и выполнении подложки из прозрачного материала минимальное пропускание модулятора с указанными выше параметрами равно 0,35, максимальное пропускание 0,60; глубина модуляции rn = =0,42, внесенные потери менее 3 дБ, т,е, по сравнению с прототипом одновременно увеличивается глубина модуляции и уменьшаются внесенные потери. Изменение показателя преломления при изменении степени окрашивания фотохромного материала будет приводить к уменьшению величины Тс, т,е. к повышению глубины модуляции. В случае фотореактивного волноводного слоя основным следствием включения управляющего излучения будет изменение показателя преломления. По сравнению с рассмотренным выше примером чисто фотохромного материала это увеличению глубины модуляции и уменьшению внесенных потерь, Модулятор, показанный на фиг.2а,б работает следующим образом, С помощью средства 9 в двухслойном волноводе, содержащем первый волноводный слой из фотохромного материала, возбу>кдается мода с Й >пц, Так как эта мода локализована в основном во втором волноводном слое, ее затухание мало, С помощью средства 11 в рабочей зоне управляющее излучение выводится в подложку, причем вследствие условия (2) выведенное излучение распространяется по нормали к поверхности зеркала. Поскольку затухание управляющего излучения вследствие поглощения в фотохромном слое мало, а средство 11 выполнено с возрастающим по ходу каналируемой волны коэффициентом излучения в подложку, плотность мощности выведенного в подложку излучения постоянна в поперечном сечении z = const резонатора. что позволяет увеличить рабочую поперечную апертуру управляющего светового пучка без 1805436 уменьшения глубины модуляции. При этом в силу дисперсии показателя преломления внутрирезонаторных сред при определенных значениях интенсивностей волн 4, 1 в состоянии ДА возможно выполнение усло- 5 вия резонанса типа (1) для управляющей волны, что приводит к возбуждению резонатора на длине волны Л, и, следовательно, к увеличению плотности мощности управляющего излучения в области фотохромного 10 слоя. В остальном работа модулятора по фиг,2а,б аналогична работе модулятора по фиг.1а,б. Каждый из волноводных слоев в устройстве по фиг.3 работает так же, как в модуля- 15 торе по фиг.1. Отсюда следует, что в случае фотохромных слоев состояние, высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только в том случае, когда обесцвечивающее управляющее излучение 20 возбуждено одновременно в первом и дополнительном волноводных слоях, т.е; модулятор по.фиг.3 может выполнять функции логического элемента И; В случае фоторефрактивных слоев условие резонанса (1) и, 25 следовательно, состояние высокого пропускания резонатора, может быть достигнуто как при возбуждении управляющего излучения только в одном из слоев, так и при одно-; временном возбуждении управляющего 30 излучения в первом и дополнительном волноводных слоях. Таким образом, модулятор по фиг.3 может выполнять как функции логического элемента И, так и функции логического элемента ИЛИ. 35 Формула изобретения 1. Волноводный модулятор света, содержащий диэлектрическую подложку с первой и второй взаимно параллельными 40 поверхностями, первый волноводный слой, выполненный из фотохромного или фоторефрактивного материала и расположенный на первой поверхности диэлектрической подложки, источник квазимонохроматического управляемого излучения, по крайней мере одно средство для возбуждения в волноводном слое квазимонохроматического управляющего излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности модуляции, модулятор снабжен отражающими по крайней мере для управляемого излучения зеркалами, образующими резонатор Фабри-Перо, причем первый волноводный слой расположен внутри этого резонатора, а диэлектрическая подложка выполнена из прозрачного по крайней мере для управляемого излучения материала. 2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения рабочей поперечной апертуры управляемого светового пучка. между одним из отражающих зеркал и первым волноводным слоем расположен второй волноводный слой, выполненный из прозрачного для управляющего и управляемого излучений материала с показателем преломления, превышающим показатель преломления первого волнового слоя, и снабженный средством для вывода каналируемого излучения в диэлектрическую подложку. 3, Модулятор по и 1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем выполнения логических операций, в резонаторе расположен дополнительный волноводный слой, выполненнный из фотохромного или фоторефрактивного материала, который расположен на второй поверхности диэлектрической подложки, а модулятор снабжен дополнительным средством для возбуждения в дополнительном волноводном слое квазимонохроматического управляющего излучения. 1805436 1805436 1805436 Составитель Ю.Удоев Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Обручар Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101 Заказ 941 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, >К-35, Раушская наб., 4/5
