Интегрально-оптический элемент

Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки. Глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·1028 м-3. Интегрально-оптический элемент имеет простую по исполнению конструкцию и при этом сохраняет свойство выделения поляризации, а также имеет низкие оптические потери. 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройствам интегральной оптики и может быть использовано для изготовления интегрально-оптических схем, требующих высокой степени выделения линейной поляризации света, например, таких как фазовые интегрально-оптические модуляторы в составе волоконно-оптических гироскопов или амплитудные модуляторы с высоким коэффициентом экстинкции. Более конкретно настоящее изобретение относится к интегрально-оптическим волноводам на подложке ниобата лития, поддерживающим распространение только одной заданной линейной поляризации света (поляризаторам).

Интегрально-оптические схемы представляют собой волноводные структуры с различной функциональностью, такие как передающие линии, модуляторы, поляризаторы и т.д. Для интегрально-оптических схем на основе ниобата лития (LiNbO3) характерны следующие конструкции: протонно-обменные оптические волноводы, встроенные в подложку из ниобата лития и титан-диффузионные оптические волноводы, также встроенные в подложку из ниобата лития.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 6374005, МПК G02B 6/13, опубликован 16.04.2002), включающий подложку из кристалла ниобата лития, оптический волновод, сформированный в верхней поверхности подложки из ниобата лития, образованный обменом ионов лития Li+, входящих в состав кристалла, на протоны H+, и два электрода, расположенные вблизи оптического волновода.

Недостатком известного устройства, представляющего собой образованный в подложке ниобата лития протонно-обменный волновод, является то, что в приповерхностном слое кристалла формируются различные дефекты, благодаря резким изменениям фазового состава этой части интегрально-оптического волновода в течение как протонного обмена, так и послеобменного отжига. Появление значительного количества дефектов приводит к формированию приповерхностного нарушенного слоя, вызывая значительное рассеивание света и, как следствие, заметный рост оптических потерь (0,5 Дб/см) в изготавливаемом интегрально-оптическом волноводе. Помимо этого данная конструкция обладает высокой температурной восприимчивостью. Высокие температуры (свыше 200°C) приводят к ухудшению волноводных свойств, что накладывает ограничения на последующие технологические операции, требующие высоких температур, например термодиффузия, а также условия эксплуатации таких поляризаторов.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 8189981, МПК G02B 6/10, опубликован 29.05.2012), включающий кристаллическую подложку из ниобата лития, сформированный в верхней поверхности подложки оптический волновод, образованный путем воздействия на верхнюю поверхность подложки из ниобата лития мягким протонно-обменным раствором, содержащим протонно-обменную кислоту и литиевую соль протонно-обменной кислоты при температуре, меньшей точки кипения раствора при атмосферном давлении, и последующего отжига мягкого протонно-обменного слоя в парах воды для предотвращения образования воды из протонов ниобата водорода и испарения из верхней поверхности подложки.

Известный интегрально-оптический элемент, состоящий из подложки из ниобата лития и сформированного в ней протонно-обменного волновода, имеет значительные оптические потери (0,5 Дб/см), которые к тому же возрастают при росте температуры.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 4329016, МПК С23С 10/00, С23С 10/28, С30В 31/00, опубликован 11.05.1982), включающий подложку из ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод с концентрацией ионов титана, образованный термической диффузией титана из нанесенной на поверхность подложки композитной пленки, содержащей окись титана и двуокись кремния. Концентрация ионов титана подбиралась так, чтобы обеспечить минимальные потери в волноводе.

Известный интегрально-оптический элемент имеет ненарушенный приповерхностный слой, однако он поддерживают распространение как обыкновенной, так и необыкновенной волн и не обладает свойством выделения поляризации проходящего через него света.

Известен интегрально-оптический элемент (см. патент US 4789212, МПК G02B 06/126, опубликован 12.03.1998), включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод шириной 4-8 мкм, образованный термической диффузией титана, нанесенный на оптический волновод диэлектрический слой из ZnO толщиной 200-2000 ангстрем, поверх которого нанесен слой алюминия толщиной более 1000 ангстрем.

Известный интегрально-оптический элемент обладает способностью выделять линейную поляризацию проходящего через него светового излучения, однако он достаточно сложен в изготовлении.

Известен интегрально-оптический элемент, работающий в диапазоне длин волн 1500-1600 нм, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (I.V. Il′ichev, N.V. Toguzov, А.V. Shamray, "Plasmon-polariton polarizers on the surface of single-mode channel optical waveguides in lithium niobate", Technical Physics Letters, September 2009, Volume 35, Issue 9, p.p. 831-833). Устройство-прототип включает подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-8 мкм и толщиной 100-120 нм, нанесенной на поверхность подложки, диэлектрический буферный слой из A2O3 нанесенный поверх оптического волновода, и алюминиевую пленку, нанесенную на диэлектрический буферный слой. Глубина оптического волновода в интегрально-оптическом элементе-прототипе составляла 5,0-7,0 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе не превышала 1027 м-3. Сформированный в подложке из кристалла ниобата лития волновод поддерживал как обыкновенную, так и необыкновенную поляризации. Буферный слой из A2O3 толщиной 15 нм, алюминиевая пленка толщиной 100 нм предназначены для возбуждения плазмонно-поляритонных мод и подавления моды, поляризованной перпендикулярно границе раздела металл/диэлектрик.

Такая конструкция интегрально-оптического элемента, обладающего свойством выделения поляризации, характеризуется высоким коэффициентом выделения заданной поляризации (19 Дб/мм) и отсутствием температурной восприимчивости, однако устройство-прототип имеет значительные оптические потери, и для его изготовления необходимо использовать сложный технологический процесс, требующий дополнительное напыление слоев с высокой точностью по толщине (±5 нм).

Задачей настоящего изобретения разработка такого интегрально-оптического элемента, работающего в диапазоне длин волн 1500-1600 нм, который бы имел более простую по исполнению конструкцию и при этом сохранял свойство выделения поляризации, а также имел низкие оптические потери.

Поставленная задача решается тем, что интегрально-оптический элемент включает подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки, при этом глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·1028 м-3.

Новым в интегрально-оптическом элементе является то, что оптический волновод выполнен термической диффузией титана из титановой полоски таким образом, что образовываемый волновод имеет глубину 3-4 мкм и максимальную концентрацию ионов титана (1-5)·1028 м-3. Данные параметры оптического волновода обеспечивают, с одной стороны, распространение только одной поляризации и, с другой стороны, низкий уровень потерь. При концентрации ионов титана менее 1028 м-3 волновод начинает поддерживать две ортогональные поляризации (обыкновенную и необыкновенную). Концентрацию ионов титана более 5·1028 м-3 затруднительно получить при глубине оптического волновода 3-4 мкм, помимо этого концентрации свыше 5·1028 также приводят к увеличению потерь. При глубине оптического волновода менее 3 мкм возрастают потери. При глубине волновода более 4 мкм сложно обеспечить максимальную концентрацию ионов титана в сформированном волноводе более 1028 м-3.

В отличие от устройства-прототипа, в настоящем интегрально-оптическом элементе используются анизотропные свойства кристалла ниобата лития, что приводит к различной величине изменения показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн в образованном в подложке из кристалла ниобата лития оптическом волноводе. Было обнаружено, что существует диапазон глубин оптического волновода и концентраций ионов титана в оптическом волноводе, сформированном методом термической диффузии титана в кристалл ниобата лития, при котором, с одной стороны, оптический волновод обладает низкими потерями, что необходимо для качественных интегрально-оптических элементов, а с другой стороны, не поддерживает распространение по оптическому волноводу обыкновенной волны света. Данный интервал глубин оптического волновода составляет 3-4 мкм, а концентрация ионов титана составляет (1-5)·1028 1/м3.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематически показано в поперечном разрезе настоящее интегрально-оптическое устройство (h - глубина оптического волновода);

на фиг. 2 приведена зависимость длин волн отсечки для обыкновенной и необыкновенной волн, распространяющихся в оптическом волноводе, сформированном в подложке из ниобата лития, от концентрации титана в оптическом волноводе.

Настоящую конструкцию интегрально-оптического элемента изготавливают следующим образом: на подложке 1 ниобата лития (см. фиг. 1) формируют полоску титана. После этого проводят высокотемпературный отжиг при температуре 1000-1100°C, в течение времени, необходимого для достижения глубины диффузии 3-4 мкм, необходимой для формирования оптического волновода 2, и достижения в образовываемом оптическом волноводе 2 концентрации титана (1-5)·1028 1/м3.

Для изготовления интегрально-оптического элемента, работающего в качестве поляризатора в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1500-1600 нм), ширина полоски обычно лежит в диапазоне от 3 до 7 мкм, а ее толщина в диапазоне от 60 до 80 нм, время отжига не превышает 5 часов.

В соответствии с настоящим изобретением было изготовлено 3 образца интегрально-оптического элемента на подложке из кристалла ниобата лития. Использовали подложки из кристалла ниобата лития X среза. На подложках при помощи магнетронного напыления формировали полоски титана различной ширины от 3 до 7 мкм и толщиной 80 нм. Затем производили термодиффузию титана при температуре 1050°C в течение различных времен отжига. В результате, за счет термодиффузии, формировалась область повышенного показателя преломления, являющаяся оптическим волноводом. Один образец имел максимальную концентрацию титана 1028 1/м3 и глубину диффузии 3 мкм, второй образец имел максимальную концентрацию титана 5·1028 1/м3 и глубину диффузии 4 мкм, третий образец имел максимальную концентрацию титана 3,5·1028 1/м3 и глубину диффузии 3,5 мкм. Все три образца обеспечивали распространение необыкновенно поляризованной волноводной моды и отсечку и вытекание обыкновенно поляризованной моды в диапазоне длин волн 1500-1600 нм. Из фиг. 2 видно, что для длины волны телекоммуникационного диапазона 1,55 мкм при концентрациях титана в сформированном волноводе свыше 1·1028 м-3 обыкновенная волна не распространяется по оптическому волноводу. Экспериментально был измерен коэффициент выделения поляризации для каждого образца. Для всех образцов коэффициент выделения поляризации превышал 40 Дб/см. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с проведенным теоретическим моделированием с использованием литературных данных по коэффициентам диффузии титана (см. М. Fukuma, J. Noda and H. Iwasaki, "Optical properties in titanium-diffused LiNbO3 strip waveguides," J. Appl. Phys., vol. 49, no. 7, pp. 3693-3698, Jul. 1978).

Таким образом, настоящая конструкция интегрально-оптического элемента на подложке из кристалла ниобата лития обеспечивает высокий коэффициент выделения заданной поляризации, низкие оптические потери, низкую температурную восприимчивость и простоту изготовления в одном технологическом процессе. Более того, настоящая конструкция интегрально-оптического элемента позволяет изготавливать сложные схемы, поддерживающие распространение обеих собственных поляризаций, где участки выделяют поляризацию, топологией полосок титана.

Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки, при этом глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1-5)·1028 м-3.



 

Похожие патенты:

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.

Оптическое устройство для формирования изображений дополненной реальности содержит источник света, конденсор, микродисплей. Дополнительно оно содержит световод со встроенным средством ввода.

Способ изготовления решеток-поляризаторов включает в себя нанесение на решетку-матрицу разделительного слоя и металлического покрытия. Наносят дополнительно защитный слой из материала, прозрачного в заданной области спектра.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к осветителям, предназначенным для выращивания рассады, овощей, цветов в домашних или промышленных условиях.

Изобретение относится к оптической технике и предназначено для получения линейно поляризованного света. Светополяризующий элемент на основе анизотропии рассеяния содержит ориентированную одноосным растяжением полимерную пленку, обладающую тангенциальным сцеплением, с капсулированными в ней каплями нематического жидкого кристалла, имеющими вытянутую эллипсоидальную форму с длинной осью, параллельной направлению растяжения пленки.

Группа изобретений относится к области сельского хозяйства, а именно к методам электромагнитного воздействия на растения видимым диапазоном волн и к устройствам, реализующим эти методы.

Способ аутентификации полимерной пленки содержит этап, на котором измеряют двойное лучепреломление слоя внутри этой пленки, сравнивают величину двойного лучепреломления, полученное на этапе измерения, с предварительно заданной величиной двойного лучепреломления, указывающей заданную аутентичную пленку, и определяют, является ли указанная пленка аутентичной или нет, на основании указанного сравнения.

Изобретение относится к системам преобразования поляризации. Система содержит поляризационный расщепитель пучка, вращатель плоскости поляризации и переключатель поляризации.

Изобретение относится к устройствам защиты от ослепления. Фильтр содержит последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием тонких оптически прозрачных подложек и последовательностей жидкокристаллических пленок, противоположные поверхности которых имеют системы электродов, поверхности указанных подложек содержат ориентанты, а также систему обработки сигналов и управления.

Поляризационная пленка состоит из ориентированных молекул блок-сополимера поливинилового спирта и поливинилена, полученного кислотно-катализированной термической дегидратацией ориентированных молекул поливинилового спирта, и дополнительно содержит фосфорно-вольфрамовую кислоту.

Изобретение представляет собой слоистый материал для многослойного стекла, включающий межслойную пленку для многослойного стекла, ламинированный замедляющим элементом, помещенным между адгезивным слоем A и адгезивным слоем B, где замедляющий элемент содержит жидкокристаллическое соединение и, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из соединения, представленного ниже формулой (1), соединения, представленного ниже формулой (2), и соединения, представленного ниже формулой (3). В формуле (1) n представляет собой целое число от 3 до 10, а R2 представляет собой группу -CH2-CH2-, группу -CH2-CH(CH3)- или группу -CH2-CH2-CH2-.

Управляемый противослепящий рассеивающий фильтр содержит жидкокристаллические плёнки, на поверхности которых нанесены системы электродов. Указанные электроды при изменении потенциала образуют цилиндрические линзы, которые изменяют своё фокусное расстояние и обеспечивают рассеивание. Также указанные электроды выполнены либо в виде узких сетчатых электродов, либо в виде широких электродов. Технический результат заключается в создании противоослепительного фильтра с минимальными потерями и адаптивного к слепящим источникам излучения. 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 12 ил.

Изобретение относится к устройствам защиты от ослепления. Управляемый противоослепляющий рассеивающий фильтр содержит последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества, тонких оптически прозрачных подложек и последовательностей жидкокристаллических пленок, противоположные поверхности которых имеют системы электродов, причем поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества содержат ориентанты. Также содержит систему обработки сигналов и управления, включающую датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения, процессор, датчик положения в пространстве приемников оптического излучения относительно фильтра. Кроме того содержит систему формирования, с выхода которой управляющие потенциалы распределяются между системами электродов, при этом молекулы жидкокристаллических пленок фильтра под действием управляющих потенциалов формируют посредством одного из ориентантов пространственную оптическую анизотропию, рассеивающую проходящее через фильтр излучение. Также введен облучатель, с одной стороны поверхности каждой жидкокристаллической пленки расположены системы узких электродов, которые по всей длине содержат примкнутые к ним отводы-системы узких, коротких электродов, расположенных ортогонально и/или под углом к узким электродам, имеющих заданную длину, определяющую степень внесения ими оптической анизотропии в жидкокристаллических пленках при подаче на соответствующие электроды управляющих потенциалов. Расстояние между узкими электродами и величина шага между отводами также определяют степень внесения ими оптической анизотропии. С противоположной стороны поверхности каждой жидкокристаллической пленки расположены системы широких оптически прозрачных электродов или системы узких электродов, которые содержат примкнутые к ним отводы-системы узких, коротких электродов, расположенных ортогонально и/или под углом к узким электродам. Технический результат заключается в создании технологичного и эффективного противоослепляющего фильтра, адаптивного к источникам поляризованного и неполяризованного излучения. 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 17 ил.

Изобретение относится к материалам для поляризационных оптических устройств, которые могут быть использованы для получения линейно-поляризованного света в оптико-электронных приборах: поляриметрах, эллипсометрах, дихрометрах, фотоэлектрических автоколлиматорах, модуляторах световых потоков, устройств индикации, отображения и хранения информации, элементов памяти. Кристалл LiBa12(BO3)7F4, характеризуемый наличием эффекта избирательного поглощения - эффектом дихроизма в видимой области спектра, выращен из раствор-расплава исходных компонентов, взятых в соотношении 0,30 ВаСО3 : 0,30 BaF2 : 0,30 Н3ВО3 : 0,10 Li2CO3 на затравку методом снижения температуры раствор-расплава от 910°С до 888°С при скорости снижения температуры 1,2-1,5°С/сут и одностороннем вращении кристалла со скоростью 1,0-2,0 об/мин. Технический результат заключается в получении эффективной среды для линейной дихроичной поляризации, оптическое качество которого обеспечивает изготовление пластин, обеспечивающих получение поляризованного света в видимой области спектра. 4 ил., 1 пр.

Светофильтр для защиты от лазерного излучения основан на эффекте Поккельса и включает в себя прозрачную подложку, закрепленную в пластмассовом корпусе. На подложке жестко закреплен между двумя прозрачными пластинами-электродами поляризатор из кварцевого элемента. Кварцевый элемент и электроды поджаты к подложке, закручивающейся по резьбе втулкой. Технический результат – обеспечение защиты в широком диапазоне длин волн, упрощение конструкции. 1 ил.

Модулятор излучения терагерцевого диапазона состоит из стопы жидкокристаллических ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек, разделенных спейсерами. Внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации вдоль поверхности подложек. Каждая из ЖК ячеек стопы снабжена двумя отрезками пористой мембраны, расположенными между подложками и по краям ячейки. Отрезки пористой мембраны отделены от подложек спейсерами, образуя полости, заполненные ЖК. Технический результат – обеспечение модуляции излучения терагерцевого диапазона с малыми напряжениями, присущими ЖК, и малыми временами переключения. 4 ил.

Изобретение относится к оптике. Кристаллическое тело, образованное из монокристалла типа граната, имеет пару пропускающих свет поверхностей, которые противостоят друг другу и пропускают свет, и по меньшей мере одну боковую поверхность, которая соединяет пару пропускающих свет поверхностей, при этом отношение В/А плотности А (количества на 1 см2) дислокаций в пропускающих свет поверхностях и плотности В (количества на 1 см2) дислокаций в боковой поверхности удовлетворяет следующей общей формуле: 1≤(В/А)≤3600. Изобретение обеспечивает получение монокристаллов гранатов и оптических приборов с такими кристаллами с удовлетворительным коэффициентом экстинкции. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 17 ил., 2 табл., 6 пр.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к конвертеру поляризации лазерного излучения. Оксидное стекло обрабатывают сфокусированным лазерным пучком. Варку стекла проводят при температурах от 1650 до 1700°C. Состав стекла следующий, в мол.%: MgO 5-10, CaO 5-10, B2O3 5-10, Al2O3 15-20, SiO2 55-65. Технический результат – упрощение технологии, снижение величины стандартного отклонения величины фазового сдвига нанорешетки. 2 пр., 1 ил.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к конвертеру поляризации лазерного излучения. Оксидное стекло обрабатывают сфокусированным лазерным пучком. Варку стекла проводят при температурах от 1650 до 1700°C. Состав стекла следующий, в мол.%: MgO 5-10, CaO 5-10, B2O3 5-10, Al2O3 15-20, SiO2 55-65. Технический результат – упрощение технологии, снижение величины стандартного отклонения величины фазового сдвига нанорешетки. 2 пр., 1 ил.

Ориентированная пленка включает в себя первую-четвертую области, имеющие первый-четвертый углы ориентации. Первый поляризованный свет, имеющий первую интенсивность, излучается на первую и вторую области фоточувствительной пленки. Второй поляризованный свет, имеющий вторую интенсивность, излучается на вторую и третью области фоточувствительной пленки. Третий поляризованный свет, имеющий третью интенсивность, излучается на первую-четвертую области фоточувствительной пленки. Углы поляризации первого-третьего поляризованного света отличаются друг от друга. Второй угол поляризации больше первого угла поляризации, и третий угол поляризации больше второго угла поляризации. Угол поляризации второго или третьего поляризованного света, излучаемого на третью область, меньше третьего угла ориентации. Третья интенсивность меньше первой интенсивности и второй интенсивности. Изобретение позволяет с высокой точностью изготовить пленку с отличающимися направлениями ориентации. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 22 ил.

Интегрально-оптический элемент, включающий подложку из кристалла ниобата лития, встроенный в подложку оптический волновод, образованный термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3-7 мкм и толщиной 60-80 нм, нанесенной на поверхность подложки. Глубина оптического волновода равна 3-4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет ·1028 м-3. Интегрально-оптический элемент имеет простую по исполнению конструкцию и при этом сохраняет свойство выделения поляризации, а также имеет низкие оптические потери. 2 ил.

Наверх