Волноводный управляемый преобразователь оптических мод
Область применения: оптическая обработка информации, в частности к устройствам интегральной оптики, может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи. Сущность изобретения: сегнетозлектрическая подложка с оптическим волноводом и двумя парами металлических электродов, межэлектродные области которых соосны оптическому входу и оптическому выходу. Оптически прозрачный слой с показателем преломления большим , чем показатель преломления оптического волновода, расположен на поверхности оптического йолновода между первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем и представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью, которая при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического когерентного излучения, 1 з.п.ф-лы, 10 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)з G 02 F 1/03
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4725179/25 (22) 02.08.89 (46) 23.07.93. Бюл. М 27 (71) Кубанский государственный университет (72) А.А.Воеводин, В.П,Гладкий и Н,Я,Яковенко (56) Божевольный С.И., Золотов Е.M., Прохоров A,M., Щербаков Е.М, Исследование интерферометрического модулятора на основе канального волновода в ОМВОЗ
//Квантовая электроника. — 1981, т. 8, M 8, с., 1746-1749, Н,F.Taylor, А.Yariv.Proc.1ЕЕЕ, 1974, vol.62, р, 1044. (54) ВОЛНОВОДНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ МОД (57) Область применения: оптическая обработка информации, в частности к устройствам интегральной оптики, может быть применено в качестве конвертора мод оптиИзобретение относится к области оптической обработки информации, в частности к устройствам интегральной оптики, и может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, увеличение быстродействия и минимизация устройства.
Поставленная цель достигается тем, что волноводный преобразователь оптических мод содержит сегнетоэлектрическую под„„5ЦÄÄ 1829021 Al ческого излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи, Сущность изобретения: сегнетоэлектрическая подложка с оптическим волноводом и двумя парами металли еских электродов, межэлектродные области которых соосны оптическому входу и оптическому выходу. Оптически прозрачный слой с показателем преломления большим, чем показатель преломления оптического волновода, расположен на поверхности оптического волновода между первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем и представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью, которая при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического когерентного излучения, 1 з.п.ф-лы, 10 ил. ложку с оптическим волноводом и металли. ческими электродами, над которыми расположен покровный слой, а также вторые металлические электроды. межэлектродная область которых соосна межэлектроднай области первых металлических электродов и соосна оптическому входу и оптическому выходу. Оптический прозрачный слой, расположенный на поверхности оптического волновода между первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем, с показателем преломления большим показателя поеломления оптического волновода, Оптически прозрачный слой не
p) 25
=, I для ТЕ-волн
35 п(2/и!2 для TM-волн, Н вЂ” толщина оптически прозрачного слоя 3, Решение характеристического уравне- „ ния {8) при N = 0 и толщине оптического волновода 2. равной W, в областях и !И представлено графически на фиг. 5.
На фиг. 6 совместно показаны графические решения характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной структуры соответственно.
Из графических решений характеристических уравнений {1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волнаводных структур (фиг. 6) определяется толщина НЕ оптически прозрачного слоя 3. при которой в данном оптическом волноводе 2 (область 11) будет существовать оптическая валноводная Мода TM с постоянной распространения /31*, равной постоянной распространения (ВЕ оптической волноваднай моды TM типа трехслойной валнаводнай структуры (области I u
И!). При выполнении условия согласования постоянных распространения оптических ный параллелепипед, усеченный плоскостью A8Cl3. причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскасте ю оптического волновадэ 2 образует прямую, перпендикулярную направлению распрост- 5 ранения оптического излучения. В области . II оптический волновод 2 представляет собой четырехслойную волноводную структуру, причем высота оптически прозрачного слоя 3 изменяется с изменением каордина- 10 ты вдоль оси у(фиг. 1), Распределение показателя преломления четырехслойной волноводнай структуры (область II) в фиксированном сечении представлено на фиг,4; 15
Очевидно, что постоянные распространения р1 и р2 оптических волн TM u TE типов соответственно должны удовлетворять неравенству: ! пг > /%> !(пэ (, (б) 20
kn2 > /Ь> knot и в области И для четырехслойной волноводнай структуры характеристическое уравнение при условии, что
knn2>/3) МЗ имеет вид
Hh = ЙЛ + Э CIg(I (4h4/h !) +
+ arctg lie(w/ci)tg(arctg(lcchcбЬг) — Рl(гг)( (8) при и = О, 1, 2, ..., где и!г = k2n! — Pz;
n2 = k п2 пз = /Ъ вЂ” k пз;
n4 = Д k2n4 еэол нае)одне (х мад та хг г)ой(го11 во ()нc. BG l e(iv
СтРУКтУРЬг 31 И ЕвтЫРЕХСЛОйиай Е(ОЛНОRÙной структуры 3;+ (т.е. при ге 1 =-/!1) О(етическая волнавадная мода 1М-типа трехслойной волноводной структуры (область !) преобразуется в Оптическую волнаводную моду TM-типа четырехслойной волноводной структуры (нэ границе Областей I и !!, фиг, 1) без энергетических потерь.
Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводнь(х структур (фиг. б) следует, что при выбранной толщине Н, оптически прозрачного слоя 3 Оптическая волноводнэя мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (обласг ь !) п ри переходе в четырехслойHóþ волнàвадную структуру (область II, фиг. 1) преобразуется в оптическую излучательную моду, так как при фиксированной толщине НЕ оптически прозрачного слоя 3 и постоянной распространения /32 оптической волнавадной мОды
ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение (8) для четырехслойной волноводной структуры не имеет решения, поскольку оптические валноводные моды ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волнаводных структур не согласованы па постоянным распространения (т.е, //I1":+ /) 2).
При распространении оптической валнавадной моды TM-типа четырехслойной волноваднай структуры от границы областей I. II к границе областей II. III (фиг. 1) с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3, постоянная распространения данной моды возрастает и на границе областей И, III при достижении значения постоянной распространения /)2* оптической волновадной моды TM-типа четырехслойной волноводной структуры, равной постоянной распространения /Ь оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры, из решений характеристического уравнений (1) и (8) определяется толщина Н2 оптического прозрачного слоя 3 (фиг, б). При этом тэк как выполняется условие согласования постоянных рэс пространения P.* оптической вплнсводной моды TM-типа четырехслойной волноводной структуры и 3 оптической воновадной моды ТЕ-типа трехслойной волнавоцной структуры (т.е, /)2* = P 2), оптическая волнаводная мода TM-типа четырехслойной волноводнай структуры (область !!) преобразуется в оптическую волноводную моду ТЕ-типа, трехслойной валновадной структуры (область I I I) нэ границе областей
И, III без энергетических потерь.
1829021
) (Pz- Pi)=-Р i„(12)
Таким образом, в области 11 (фиг. 1) четырехслойной волноводной структуры от границы областей и И будет распространяться оптическая волноводная мода TMтипа.
Оптическая волноводная мода TM-типа трехслойной волноводной структуры при данном приложенном управляющем напряжении 01 к металлическим электродам
5, будет иметь на границе раздела областей и !! постоянную распространения (Pt -hP I ), и при переходе в четырехслойt ную аолноводную структуру (область И, фиг, 1) будет преобразовываться а оптическую излучательную моду, т.к. не выполняется услсвие согласования пО постоянным распространения оптической аолноводной моды
ТМ-типа трехслойной волноводной структуТаким образом, на оптическом выходе 8 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТЕ-поляризации. . Подадим на металлические электроды 5 управляющее напряжение Ui такой полярности. чтобы участок оптического волновода
2, заключен It lLl в межэлектродной области металлических электродов 5, изменил показатель преломления в сторону уменьшения за счет электрооптического эффекта по закону:
hn = — 1/2 3Е (9) где Š— компонента напряженности электрического поля вдоль оси z, ti! — компонента электрооптического тензора.
В результате уменьшаются постоянные распространения Р! и P z оптических волноводных мод TM и ТЕ-типов соответственно трехслойной волноводной структуры на вели чину фг . ф) =- Ь п22к/А,, (10)
Величина прикладываемого управляющего напряжения Ui определяется из уравнений (9), (10) и должна удовлетворять условию, что изменение постоянной распространения Р2 оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры tta величину ф3 (под действием злектрооптического эффекта), равную ф"=/ Pz — P i/. (11)
В этом случае оптическая волноводная мода TL-TtittG TpexclloAHOA волноводной структуры на границе областей и !! (фиг. 1) преобразуется в оптическую волноаодную моду ТЬ -типа четырехслойной волноводной структуры, т.к. аыполнястся условие согласования постоянных распространения данных оптических волноводных мод,т,е. (фиг.
7 ры и оптической аолноводной моды TM-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Н1 оптически прозрачного слоя 3 (т.е. Pi*=Pi -Ьф ) (фиг. 7).
Рассмотрим случай подачи управляющего напряжения Uz на металлические электроды 4 такой полярности, чтобы
10 оптический волновод 2, заключенный в межэлектодной области металлических электродов 5, изменил показатель преломления в сторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону:
15 Ьп = + 1/2 rt).п2 Ez, (13)
В результате увеличиваются постоянные распространения j3i и P z оптических волноводных мод ТМ и ТЕ типов соответственно трехслойной волноводной структуры
20 на величину 88, определяемую выражением (10). В связи с этим происходят преобразования как оптической волноводной моды
TM-типа, так и ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область !, фиг. 1) в опти25 ческие излучательные моды. четырехслойной волноаодной структуры (область II, фиг. 1) на границе областей и II, т.к. не выполняются условия согласования по постоянным распространения оптиче30 ских волноводных мод TM и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры (область !
) и оптической волноаодной моды TM-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Н1
35 оптически прозрачного слоя 3 (т.е.
Pi =Pi + lP, ф =j4 + hP ) (фиг. 8).
Таким образом, прикладывая к металлическим электродам 5 управляющее напряжение необходимой величины и полярности возможно оптические волноаодные моды
TM и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры на границе областей I и И преобразовывать либо в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноаодной структуры (область И, фиг. 1), либо в оптические иэлучательные моды четырехслойной волноводной структуры (область II, фиг, 1, что говорит не только о воэможности конверсии мод, но и о возможности амплитудной модуляции.
Следовательно. при фиксированной толщине н1 оптически прозрачного слоя 3 (фиг. 1) а четырехслойной волноводной структуре (область И) будет распространяться оптическая волноводная TM-типа, и с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3 будет возрастать значение постоянной распространения данной оптической моды, и при толщине Hz оптически прозрач1829021 ного слоя 3 значение постоянной распространения этой оптической моды будет равно 3 *
Подадим на металлические электроды 6 управляющее напряжение такай полярности, чтобы оптический волновод 2. заключенный в мех<электродной области металлических электродов S,èçìåíèë показатель преломления в старойу уменьшения за счет электраоптического эффекта па закону (9).
В результате уменьшаются постоянные распространения j3! и f32 оптических вал.новодных мод ТМ и TF-типов саответс венно трехслойной волноводной структуры (область III) на величину hP, определяемую выражением (10).
В связи с этим оптическая валнаводная мода ТМ-типа четырехслойной волновадной структуры (область II) на границе областей !!, И! преобразуется в оптические излучательные моды трехслойной валноводной структуры (область III), т.к. постоянная распространения Д* оптической волноводной моды четырехслойной волноводной структуры (область И) не удовлетворяет условию согласования постоянных распространения трех- и четырехслойных волноводных структур (т.е.
gQt — Q; ЯФя — ф) {фиг. 9).
Рассмотрим случай подачи управляющего напряжения U4 на металлические электроды 6 такой полярности, чтобы оптический волновод 2. заключенный в межэлектродной области металлических электродов 6, изменил показатель преломления в сторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону (13).
В результате увеличиваются постоянные распространения Р1 и P z оптических волновадных мод ТМ и ТЕ типов соответственно трехслойной волноводной структуры на величину hP, определяемую выражением (10).
Величина прикладываемого управляющего напряжения U4 определяется из уравнений (9) и (10) и должна удовлетворять условию, что постоянная рапространения р1 оптической волноводной моды TM-типа трехслойной валновадной Структуры должна изменяться на величину ф3(под действи.ем электроаптического эффекта), равную
hP=/Pz — P !/. (14)
В это!и случае оптическая волноводная мода TM-типа четырехслойной волноводной структуры (область И, фиг. 1) на границе областей И и If! преобразуется в оптическую волновадную моду TM-типа трехслойного волноводного слоя (область !И), т.к. выполняется у{ ла{ъ{{е { {)! Гл({::» :! .<сз Г){) ::таун! )ых распространен))я да){)){" х ап ги {сс. :! !< ".. { )) ){аваднь{х мод, т.е. (фиг. 10!. (Р) И =- / ." (1!., -5 Исходя иэ вышеизлах<еннага, легка рассмотреть работу предлагаемого устройства при одновременной подаче управляющих напрях<ений на металлические электродht 5 и металлические электроды 6.
Функциональные воэможности валноводного преобразаватсля оптических мод при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6 при различных комбинациях состояния поляризации оптического когерентнота излучения на оптическом входе 7 представлены в табл, 1.
Из рассмотренной выше теории гледует, что подаче оптического кагерентната иэ.20 лучения различных комбинаций состояния поляризации на оптический выход 8 предлагаемое устройство при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металличе25 ские электроды 6 будет функционировать как показано в табл. 2.
Из вышеизложенного следует, чта при подаче на металлические электроды 5 управляющего напряжения д, удовлетворяющего условию
О! «0 0г, (16) и при одновременной подаче на металлические электроды 6 управляющего напряжения О, удовлетворяющего условию:
35 !.)з «Ц«Uq (17) предлагаемое устройство будет функционировать либо как аналоговый амплитудный модулятор, либо как аналоговый паляризационный модулятор оптического излучения, 40 в зависимости от комбинации приложенных управляющих напряжений к металлическим электродам 5 и металлическим электродам
6.
Частнь)м случаем предлагаемого устройства является устройство, у которого оптически прозрачный слой 3 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с градиентам показателя преломления вдоль направления распространения апти«еского когерентного излучения, причем наименьший показатель преломления этого слоя должен быть больше показателя преломления оптического волновода 2, Очевидно, чта значения показателей преломления оптиче55 скй прозрачного слоя 3, необходимые для эффективного функционирования заявляемого устройства, определяются иэ решений характеристических уравнений трехслой1829021
12 ной и четырехслойной волноводных структур.
Из рассмотренной выше теории следует, что эффективность работы предлагаемого устройства, т.е, эффективность преобразования оптических волноводных мод, не зависит ни от длины металлических электродов 5 и 6, ни от длины L оптически прозрачного слоя 3, что обусловлено тем, что межмодовые взаимодействия происходят на расстояниях, порядка длины волны оптического когерентного излучения;
Рассмотрение работы предлагаемого устройства в качестве примера проводилось для планарного оптического волновода.
Очевидно, что при замене характеристических уравнений (1) и (8) на характеристические уравнения, соответствующие параметрам оптических волноводов любого типа, данная теория будет справедлива.
В качестве сегнетоэлектрической подложки 1 можно использовать монокристалл ниобата лития "Х" (или "Y") среза, в котором методом термодиффузии.титана сформирован оптический волновод 2, технологические режимы изготовления которого удовлетворяют условию существования в оптическом волноводе 2 одной ТЕ и одной
TM оптической волноводной моды, при заданном значении длины волны оптического когерентного излучения (длина волны оптического когерентного излучения il - 0,85 мкм; толщина пленки титана 250 А, время диффузии 7 часов, температура диффузии
Т =- 1000 С). На поверхности оптического волновода 2 рэсположен оптически прозрачный слой 3, сформированный методом термического вакуумного испарения селеноида мышьяка (АзгБез. n> = 2,5, L = 1000 мкм, Н1=0,15мкм, Hz=0,18 мкм), На поверхности оптического волновода 2 расположены металлические электроды 5 и 6 из алюминия, изготовленные методом жидкостной фотолитографии (ширина электрода
20 мкм, зазор между электродами 7 мкм, длина электродов 1000 мкм, толщина 0,2 мкм). В качестве покровного слоя 4 может быть применена любая оптическая прозрачная среда с показателем преломления, меньшим, чем показатель преломления оптического волновода 2. в нашем случае— воздух.
Формула изобретения
1. Волноводный управляемый преобра. зователь оптических мод, содержащий сегнетоэлектрическую подложку с оптическим волноводом, устройства ввода-вывода излучения и первую пару металлических элект"5 родов, над которыми расположен покровный слой, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, увеличения быстродействия и снижения габаритов, он дополнительно
20 содержит вторую пару металлических электродов, межэлектродная область которой соосно с межэлектродной областью первой пары металлических электродов, а также с устройствами ввода-вывода излучения, 25 между парами электродов. на поверхности волноводного слоя расположен оптически прозрачный слой длиной, необходимой для установления волноводного режима под оптически прозрачным слоем, с показателем
30 преломления, большим показателя преломления оптического волновода, причем оптически прозрачный слой не является волноводным при данной длине волны оптического излучения, а его толщина моно35 тонно увеличивается в пространстве от первой к второй паре металлических электродов.
2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю40 щийсятем,чтооптическипрозрачныйслой имеет постоянную толщину, а его показатель преломления монотонно увеличивается от первой к второй паре металлических электродов.
1829021
3829021
Фиг.2
Фиг. 4 6> Ра р
Фиг. б
ТМ ТЕ TMlE. р»
Фиг.7
1829021
Т1я TE ТМ
Составитель 8.:Гладкий
Техред М.Моргентал Корректор А.Козориз
Редактор
Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 2964 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР . 113035. Москва, Ж-35, Раумская наб., 4/5
