Интегрально-оптическое поляризационное устройство

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и используется для расщепления компоненты поперечной электрической моды (ПЭ) и компоненты поперечной магнитной моды (ПМ) в два выходных волновода для связывания входов компоненты ПЭ-моды и компоненты ПМ-моды в выходной оптический волновод. Интегральное оптоэлектронное устройство поляризации содержит два волновода, выполненных в подложке. Первый волновод выполнен с возможностью одновременного пропускания двух компонент мод, поляризации которых перпендикулярны друг к другу. Второй волновод выполнен с возможностью прохождения одной из двух компонент мод поляризации и имеет связанную зону, которая расположена на заданной длине и отделена определенным расстоянием от первого волновода, и несвязывающую зону, которая расположена таким образом, что первый и второй волноводы отделены друг от друга более широким расстоянием, чем указанное расстояние. Обеспечена простота конструкции и изготовления. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Данное изобретение относится к интегральному оптоэлектронному устройству поляризации, более конкретно поляризационному расщепителю для расщепления компоненты поперечной электрической моды (ПЭ) и компоненты поперечной магнитной моды (ПМ) в два выходных волновода входной поляризации в интегральной оптоэлектронике на основе одномодового оптического волновода и поляризационного элемента связи, который связывает вместе входы компоненты ПЭ-моды и компоненты ПМ-моды вместе в выходной оптический волновод.

В интегральной оптоэлектронике подложку обычно формируют из различных материалов, таких как стекло, сегнетоэлектрик, полупроводник или полимер. LiNbO₃, являющийся сегнетоэлектриком, широко используют для изготовления устройств интегральной оптоэлектроники, поскольку он имеет такие преимущества, как низкие потери на распространение и значительный электрооптический эффект. LiNbO₃ является оптическим кристаллом, имеющим значительное двулучепреломление, показатель преломления необыкновенной волны - 2,202 и показатель преломления обыкновенной волны - 2,286 на длине волны 633 нм. Диффузия титана внутрь объема и протонный обмен являются двумя распространенными способами изготовления оптического волновода с подложкой из LiNbО₃. Диффузия титана внутрь объема является способом осаждения тонкой титановой пленки на ту часть, где формируют оптический волновод на подложке из LiNbО₃. По этому способу оптический волновод формируют из титановой тонкой пленки толщиной около нескольких сот ангстрем, а термическую диффузию внутрь подложки LiNbО₃ осуществляют при высокой температуре около 1000^oС в течение нескольких часов, что повышает показатель преломления волновода. В этом случае показатель преломления необыкновенной волны и показатель преломления обыкновенной возрастают, формируя тем самым волновод для направления компоненты ПЭ-моды и компоненты ПМ-моды. Протонный обмен является способом обмена протонов (Н+) в таком источнике протонов, как бензойная кислота для ионов лития (Li+t) в подложке LiNbО₃. Здесь, например, металл осаждают на те части подложки, на которых оптический волновод не формируют, и подложку помещают в источник протонов при температуре около 200^oС, тем самым повышая показатель преломления волновода. В этом случае возрастает только показатель преломления необыкновенной волны, а показатель преломления обыкновенной волны ненамного снижается, в результате чего формируется волновод для направления либо компоненты ПЭ-моды, либо компоненты ПМ-моды. Фиг.1 изображает обычный поляризационный расщепитель. Обычный поляризационный расщепитель, сформированный двумя указанными выше способами изготовления оптических волноводов, реализуют в качестве расщепителя Y-типа, изображенного в фиг.1. Также выходной волновод 3 ПЭ-моды изготавливают протонным обменом, а выходной волновод 2 ПМ-моды и входной волновод 4 изготавливают диффузией титана внутрь объема.

В наиболее близком аналоге, которым является US 5475771, S-образный оптический волновод и прямой оптический волновод формируются как тип ветвления на Х-срезе распределение по оси Y подложки из Li и Nb и диффузией из титана. Ветвь анизотропного оптического волноводного ветвления от начала S-образного участка формируется способом протонного обмена и затем соединяется с выходом оптического волновода, который имеет титановую диффузию. Далее, компонента ПМ-моды не является проводящей в оптическом волноводе с протонным обменом, но распространяется вдоль S-образного оптического волновода. Взамен компонента ТЕ-моды перемещается в оптическом волноводе с протонным обменом, показывая большое изменение показателя преломления по волноводу, чем и достигается поляризационное расщепление.

То есть в обычном поляризационном расщепителе имеется проблема, заключающаяся в том, что компоненту ПЭ-моды индуцируют в выходной волновод ПМ-моды на подложке и поляризацию нельзя стопроцентно расщепить по причине угла ветвления расщепителя Y-типа в ПЭ-моде. Поэтому для точного формирования распределения показателя преломления выходного волновода ПЭ-моды и острого угла ветвления требуется сложный процесс.

В предлагаемом изобретении соединение первого и второго волноводов отсутствует, но имеется связанная зона, расположенная по заданной длине и отделенная интервалом друг от друга, при этом длина связанного оптического проводника формируется, чтобы быть идентичной либо нечетно кратной связанной длине, которая является 100%-ной длиной переноса моды необыкновенной волны, благодаря чему достигается поляризационное расщепление.

В основу данного изобретения положена задача обеспечения интегрального оптоэлектронного устройства поляризации для полного расщепления или связывания компоненты ПМ-моды без потерь с помощью двулучепреломления и связывания оптических волноводов в подложке.

Для решения указанной задачи обеспечивают интегральное оптоэлектронное устройство поляризации, содержащее первый волновод, который может одновременно пропускать две компоненты мод, поляризации которых перпендикулярны друг к другу, через подложку интегральной оптоэлектроники, и второй волновод для создания возможности прохождения одной из двух компонентов моды поляризации через сформированную в интегральной оптоэлектронике подложку, имеющий связанную зону, расположенную по заданной длине и отделенную интервалом от первого волновода на заданном расстоянии от первого волновода, и несвязывающую зону, расположенную таким образом, что первый и второй волноводы отделены друг от друга более широким расстоянием, чем заданное расстояние на частях, не являющихся заданной длиной.

Показатели преломления первого и второго волноводов, по которым одновременно могут проходить компоненты моды поляризации, являются идентичными.

Длина связанной зоны идентична связанной длине, либо является нечетно кратной связанной длине.

Подложку интегральной оптоэлектроники можно формировать из LiNbО₃, оптического полимера или полупроводникового материала, имеющего двулучепреломление.

Указанный выше объект и преимущества данного изобретения станут более очевидными из подробного описания его предпочтительного осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых: фиг.1 изображает обычный поляризационный расщепитель; фиг. 2А и 2Б - общие виды интегрального оптоэлектронного устройства поляризации соответственно согласно данному изобретению; фиг. 3А - график возрастания показателя преломления ПЭ-моды соответствующих волноводов, изображенных в фиг.2А; фиг. 3Б - график возрастания показателя преломления ПМ-моды соответствующих волноводов, изображенных в фиг.2А; фиг. 3В - график возрастания показателя преломления ПЭ-моды соответствующих волноводов, изображенных в фиг.2Б; фиг. 3Г - график возрастания показателя преломления ПМ-моды соответствующих волноводов, изображенных в фиг.2Б.

фиг. 2А - 2Б являются общими видами интегрального оптоэлектронного поляризационного расщепителя и элемента связи согласно данному изобретению.

Структуру связанного оптического волновода, изображенного в фиг.2А и 2Б, используют в данном изобретении вместо обычной структуры расщепителя Y-типа.

В фиг.2А оптический волновод 5 формируют диффузией титана внутрь объема, а оптический волновод 6 формируют протонным обменом. В этом случае оптический волновод 5 сначала формируют диффузией титана внутрь объема, являющейся высокотемпературным процессом, и затем волновод 6 формируют протонным обменом, являющимся низкотемпературным процессом. При применении Х-среза и Y-среза подложки из LiNbО₃ волновод 6, сформированный протонным обменом, направляет только компоненту ПЭ-моды. В фиг.2 Б используют подложку 21 из LiNbО₃ Z-среза. Изображенный в фиг.2Б волновод 9, сформированный протонным обменом, направляет только компоненту ПМ-моды. Здесь эффективные показатели преломления соответствующих волноводных частей связанного волновода делают идентичными моде необыкновенной волны, а длину lс связанного оптического волновода формируют идентичной длине связывания или нечетно кратной длине связывания, что является 100%-ной длиной переноса моды необыкновенной волны. 100%-ную оптическую мощность моды необыкновенной волны теоретически передают от входного оптического волновода 8 в выходной оптический волновод 9 в этом связанном оптическом волноводе. Поэтому 100%-ное поляризационное расщепление выполняют в отношении входной поляризации в компоненту ПЭ-моды и компоненту ПМ-моды по двум выходным оптическим волноводам. Поляризационный расщепитель могут применять как поляризационный элемент связи для связывания двух компонент моды поляризации в один волновод, когда компоненту ПЭ-моды и компоненту ПМ-моды запускают в два выходных оптических волновода в этой структуре.

Процесс формирования интегрального оптоэлектронного устройства поляризации по данному изобретению, изображенному в фиг.2А, является следующим. Волновод 5, по которому две перпендикулярные компоненты моды поляризации могут проходить одновременно, формируют в подложке II интегральной оптоэлектроники. Также, волновод 6 формируют в подложке II интегральной оптоэлектроники таким образом, что волновод 6 параллелен волноводу 5, отделенному от него расстоянием в несколько микрон для связанной длины lс, и таким образом, что волноводы 5 и 6 отделены друг от друга более широким расстоянием на частях, на которых нет связанной длины lс. Волновод 6 может пропускать одну из двух компонент моды поляризации. Здесь подложку II интегральной оптоэлектроники можно сформировать из LiNbО₃, кристалла или полимера, имеющего двулучепреломление.

Действие расщепителя и элемента связи, изображенного в фиг.2А. можно объяснить изображением возрастания эффективных показателей преломления компоненты ПЭ-моды и компоненты ПМ-моды в связанных зонах оптического волновода - как изображено в фиг.3А и 3Б.

фиг. 3А является графиком возрастания ΔN_ТЕ в показателе преломления ПЭ-моды по соответствующим волноводам 5 и 6, изображенным в фиг.2А.

Обращаясь к фиг.3А: показатели преломления соответствующих волноводов 5 и 6 по ПЭ-моде выше этих показателей подложки 4 интегральной оптоэлектроники по сечению А-А', изображенному в фиг.2А.

фиг.3Б - график возрастания ΔN_ТМ в показателе преломления в ПМ-моде соответствующих волноводов 5 и 6 фиг.2А.

Обращаясь к фиг.3Б: показатель преломления волновода 5 по ПМ-моде выше этого показателя подложки II интегральной оптоэлектроники, но этот показатель волновода 6 ниже этого показателя подложки II интегральной оптоэлектроники в сечении А-А' фиг.2А. То есть поскольку возрастание эффективного показателя преломления оптического волновода 6 отрицательное по ПМ-моде и показатель преломления оптического волновода 6 ниже этого показателя у подложки, то в ПМ-моде эффект оптического волновода 6 имеет величину, которой можно пренебречь. Поэтому компонента ПМ-моды поступает в оптический волновод 5.

фиг.3В - график возрастания ΔN_ТЕ в показателе преломления в ПЭ-моде соответствующих волновода 8 и 9, изображенных в фиг.2Е.

В сечении В-В' фиг.2Б показатель преломления волновода 8 по ПЭ-моде выше этого показателя у подложки 21 интегральной оптоэлектроники, но этот показатель у волновода 9 ниже, чем у подложки 21 интегральной оптоэлектроники.

фиг. 3Г - график возрастания ΔN_ТМ показателя преломления в ПМ-моде соответствующих волноводов 6 и 9 фиг.2Б.

Обращаясь к фиг.3Г: показатели преломления соответствующих волноводов 8 и 9 для ПМ-моды выше, чем этот показатель у подложки 21 интегральной оптоэлектроники в сечении В-В' фиг.2Б.

То есть компоненту ПМ-моды стопроцентно связывают в связанном волноводе и выводят в волновод 9, а компонента ПЭ-моды продолжает следовать в оптический волновод 8, поскольку возрастание эффективного показателя преломления оптического волновода 9 имеет отрицательное значение по ПЭ-моде, а показатель преломления волновода 9 ниже, чем этот показатель у подложки 21, поэтому эффект этого оптического волновода имеет значение, которым можно пренебречь.

При вводе поляризации ПЭ-моды и ПМ-моды, при обращении направлений входа и выхода, поляризационный расщепитель фиг.2Б действует как поляризационный элемент связи, который связывает ПЭ-моду и ПМ-моду в выходной оптический волновод 8 без потерь оптической мощности.

При осуществлении оптической связи с помощью одномодового оптического волокна: поскольку поляризация в одномодовом оптическом волокне не обеспечивается, принимаемый оптический сигнал часто обрабатывают его делением на соответствующие моды поляризации в случае, когда его обрабатывают в качестве оптического устройства, зависимого от поляризации. Этот поляризационный расщепитель целесообразно применять для произвольной поляризации входа, и его можно использовать как поляризационный элемент связи, когда оптический сигнал необходимо отправить по одномодовому оптическому волокну после обработки сигнала в соответствующие поляризации.

Как указано выше, в соответствии с данным изображением обеспечивают такое устройство поляризации, как поляризационный расщепитель и элемент связи, в которых поляризацию расщепляют и связывают простым производственным процессом, для чего не нужен сложный процесс установки угла ветвления в обычном расщепителе Y-типа.

Формула изобретения

1. Интегрально-оптическое поляризационное устройство, содержащее два волновода, выполненных в интегрально-оптической подложке, отличающееся тем, что первый волновод выполнен с возможностью одновременного пропускания двух компонент мод, поляризации которых перпендикулярны друг к другу, а второй волновод выполнен с возможностью прохождения одной из указанных компонент моды поляризации, имеет связанную зону, которая расположена на заданной длине и отделена интервалом от указанного первого волновода на указанное расстояние от указанного первого волновода, и несвязывающую зону, которая расположена с возможностью отделения первого и второго волновода друг от друга более широким расстоянием, чем указанное заданное расстояние на частях, расположенных вне заданной длины.

2. Интегрально-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что показатели преломления указанного первого и второго волноводов, через которые одновременно может проходить компонента моды поляризации, являются идентичными.

3. Интегрально-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что длина указанной связанной зоны идентична длине связывания или является нечетным кратным длине связывания, которая является длиной 100% переноса моды необыкновенной волны.

4. Интегрально-оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что интегрально-оптическая подложка формируется из LiNbO₃, оптического полимера или полупроводникового материала, имеющего двулучепреломление.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3