Способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре

Изобретение относится к интегральной оптике. Способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре, заключающийся в том, что излучение лазера вводят в четырехслойную планарную направляющую структуру, состоящую из подложки, покровной среды, волноводного высокопреломляющего магнитооптического слоя, намагниченного до насыщения в плоскости границы раздела, в направлении, поперечном распространению света, волноводного нанокомпозитного слоя с расположенным на его поверхности решеточным элементом связи для ввода излучения. Настройка на заданную длину волны, заданные углы ввода и разделение волноводных мод ортогональных поляризаций осуществляется путём подбора отношений толщин диэлектрических нанослоёв двух типов в нанокомпозитном слое. Технический результат заключается в повышении эффективности поляризационного разделения света в планарных направляющих структурах интегральной оптики. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к интегральной оптике, в частности к методам пространственно-поляризационного разделения света в планарных оптических волноводах. Оно может быть использовано для создания высокоэффективных волноводных разделителей поляризации в ближней части ИК-диапазона.

Для поляризационно-независимого детектирования и поляризационно-разнесенного мультиплексирования в волоконно-оптических системах связи и обработки сигналов требуются устройства, позволяющие осуществлять разделение различных поляризационных составляющих излучения в пространстве. Интегрально-оптические схемы имеют преимущество перед волоконными или объемными аналогами, так как появляется возможность размещения большого количества элементов в единой интегральной схеме с целью создания многоканальных систем.

Известны способы пространственного разделения поляризаций в планарных направляющих структурах:

1) способ, основанный на резонансной связи оптических волн, реализуемой за счет условия фазового синхронизма в волноводных направленных ответвителях [Волноводная оптоэлектроника / под ред. Т.Тамира, М.: Мир, 1991, 575 с.], недостатком этого способа являются высокие требования к выполнению условия фазового синхронизма;

2) способ поляризационной фильтрации излучения, использующий модовое двупреломление вблизи отсечки четырехслойного диэлектрического волновода со специально подобранным профилем показателя преломления [Векшин M.M., Никитин В.А., Яковенко H.A. Поляризационные свойства четырехслойного диэлектрического волновода. Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. N6, с.35-39], недостатком которого является различный уровень поглощения TE и TM мод в халькогенидном полупроводниковом верхнем слое;

3) способ модовой селекции в асимметричных Y-разветвителях [S. M. Garner, V. Chuyanov, S. Lee, A. Chen, W. H. Steier, and L. R. Dalton, “Vertically integrated waveguide polarization splitters using polymers,” IEEE Photon. Technol. Lett. 1999. V.11, pp. 842–844].

Патентный поиск не выявил аналога предлагаемого способа разделения поляризаций. Наиболее близким примером осуществления предлагаемого способа является использование интегрально-оптического пространственного разделителя поляризаций на основе асимметричного Y-разветвителя, состоящего из планарного волновода в стекле и высокопреломляющей диэлектрической пленки заданной толщины и переменной ширины для формирования в зоне разделения области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций (Патент RU 2461921, МПК H01P 1/00, 2006. Интегрально-оптический пространственный разделитель поляризации на основе асимметричного Y-разветвителя, авт. Кулиш О.А., Векшин M.M.). Его недостатком является то, что для изготовления волновода, покрытого пленкой различной толщины, требуется сложный технологический процесс.

Преимуществами предлагаемого метода по сравнению с вышеизложенными являются эффективная развязка мод между каналами и отсутствие необходимости создания адиабатического (плавного) или резкого перехода от одной части волноводной структуры к другой (т.е., например, Y-разветвителя).

Целью изобретения является повышение эффективности поляризационного разделения света в планарных направляющих структурах интегральной оптики.

Цель достигается тем, что для эффективного разделения (локализации интенсивности мод ортогональных поляризаций в нужном слое) используют четырехслойную направляющую структуру, состоящую из высокопреломляющего магнитооптического слоя 1, высокопреломляющего нанокомпозитного слоя 2, подложки 3 и покровного слоя 4 (Фиг.1).

Слой 1 магнитооптического материала должен быть намагничен до насыщения в плоскости границы раздела, в направлении, поперечном распространению света. Это необходимо для существования в структуре мод ортогональных поляризаций ТЕ и ТМ типов. Для изготовления нанокомпозитного слоя 2 используют методы высокочастотного напыления (RF sputtering) [T. Yamaguchi et al. Interfacial optical absorption in TiO2 -SiO2 multilayer coatings prepared by RF magnetron sputtering. Applied Optics, 1986. V.25, No.16 pp.2703-2706], импульсного лазерного осаждения (pulsed laser deposition, PLD), жидкофазной эпитаксии (liquid phase epitaxy, LPE), реактивного ионно-лучевого распыления (reactive ion beam sputtering, RIBS) [V. Berzhansky et al. Magneto-optics of nanoscale Bi:YIG films. Applied Optics, 2013. V.52, No.26, p.6599-6606]. Период нанокомпозитной среды (Фиг.1) должен быть на порядок меньше длины волны источника (лазера) . В этом случае применимо приближение эффективной среды, при котором композитную среду слоя 2 считают одноосным кристаллом с тензорной эффективной диэлектрической проницаемостью. В качестве подложки 3 выбирают прозрачный изотропный материал с показателем преломления меньшим, чем в слоях 1 и 2, а покровной средой может служить воздух или газообразная среда с ещё меньшим показателем преломления, чем у подложки.

Для конкретных параметров сред, составляющих четырехслойную волноводную структуру, используя известные уравнения Максвелла и граничные условия, получают и решают дисперсионное уравнение для различных соотношений толщин нанослоев и , и получают зависимости констант распространения ТЕ и ТМ мод от длины волны (т.е. калибровочный график, пример которого приведен на Фиг.2). В качестве источника излучения используют лазер, излучение которого вводят в структуру с помощью решеточного элемента связи, созданного на поверхности слоя 2, например, фотолитографическим или голографическим методами. Излучение вводят с помощью, например, волоконных световодов или зеркал, под двумя требуемыми углами и , подобранными в соответствии с известной формулой для решеточного элемента связи: , где - шаг решетки. Здесь - константы распространения ТЕ и ТМ мод соответственно, существующих по-отдельности в каждом из высокопреломляющих слоев 1 и 2, - волновое число в вакууме. В результате в слое 1 будет распространяться волна одной поляризации, например, ТM0, а в слое 2 – волна другой ортогональной поляризации, например, ТЕ0, или наоборот.

Конкретный пример калибровочного графика представлен на Фиг.2, где для = 0.8 приведены дисперсионные зависимости нормированной на волновое число в вакууме константы распространения направляемых мод от длины волны излучения. Для расчёта выбраны параметры = 1.55 мкм, = 6.5 мкм, = 4.7 мкм и материалы слоев: SiO2 для подложки, железоиттриевый гранат (ЖИГ) для слоя 1, гадолиний-галлиевый гранат (Gd3Ga5O12) и диоксид титана (TiO2) для слоя 2, воздух для среды 4.

На Фиг.2 зависимости – показатель преломления ЖИГ, а и – показатели преломления нанокомпозитного слоя 2 для мод ТЕ и ТМ поляризации, соответственно. Рабочие точки выбраны так, что на заданной длине волны (1,55 мкм) направляемой в слое 2 может распространяться лишь ТЕ0 мода (с нормированной константой распространения = 2.2332, а в слое 1 - лишь ТМ0 мода с = 2.1988.

Для иллюстрации возникающей картины пространственного разделения мод ТЕ и ТМ поляризаций на Фиг.3 представлены распределения интенсивности (продольная компонента вектора Умова-Пойнтинга) по поперечному сечению структуры. Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод в выходных каналах, составляет в данном случае не менее 18 дБ для ТЕ-волн и не менее 19 дБ для ТМ-волн. Общие вносимые потери для обеих поляризаций будут определяться эффективностями ввода элементов связи (для решеточного элемента – до 100 %).

Предлагаемый способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре обеспечивает техническое решение проблемы эффективного управления светом в интегрально-оптических системах, оптоэлектронных устройствах, таких как волноводные фильтры, изоляторы и селекторы.

1. Способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре, заключающийся в том, что излучение лазера вводят в четырехслойную планарную направляющую структуру, состоящую из подложки, покровной среды, волноводного высокопреломляющего магнитооптического слоя, волноводного нанокомпозитного слоя с расположенным на его поверхности решеточным элементом связи для ввода излучения, отличающийся тем, что магнитооптический слой намагничен до насыщения в плоскости границы раздела, в направлении, поперечном распространению света, а настройка на заданную длину волны, заданные углы ввода и разделение волноводных мод ортогональных поляризаций осуществляется путём подбора отношений толщин диэлектрических нанослоёв двух типов в нанокомпозитном слое, что позволяет осуществить поляризационную фильтрацию, принципиально недостижимую в слое из однородного материала, а также избежать для ТЕ и ТМ мод необходимости создания адиабатического (плавного) или резкого перехода от одной части волноводной структуры к другой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пространственного разделения выбирают область длин волн 1,26-1,675 нм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при осуществлении разделения поляризаций выбирают моды ненулевого порядка.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для разделения мод ортогональных поляризаций выбирают такие толщины нанослоев и соотношения между толщинами нанослоев, при которых ТЕ моды распространяются в магнитооптическом слое, а ТМ моды – в нанокомпозитном слое.



 

Похожие патенты:

Использование: для создания схем дифференциальных аттенюаторов для работы в СВЧ диапазоне. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный аттенюатор содержит генератор дифференциального сигнала, звенья, состоящие из параллельно включенных управляемых МОП транзисторов n- и p-типа, блок управления и нагрузку, кроме того, неинвертирующая пара звеньев, состоящих из МОП транзисторов n- и p-типа, соединена с генератором дифференциального сигнала и нагрузкой напрямую, а инвертирующая пара звеньев, состоящих из МОП транзисторов n- и p-типа соединена с генератором дифференциального сигнала и нагрузкой перекрестно; где регулировка сопротивлений МОП транзисторов, входящих в звенья, осуществляется блоком управления, при этом сопротивление одной пары звеньев МОП транзисторов возрастает, а другой падает.

Изобретение относится к радиоэлектронике и измерительной технике и может быть использовано для заданного ослабления СВЧ сигнала большой мощности в широкой полосе рабочих частот.

Изобретение относится к технике высоких и сверхвысоких частот и предназначено для создания частотно-селективных устройств. Полосковый резонатор содержит две диэлектрические подложки, подвешенные между экранами корпуса, на обе поверхности которых нанесены полосковые металлические проводники, электромагнитно связанные между собой.

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий. Коммутирующее устройство является псевдоморфным, изготовленным на базе гетероструктуры AlGaN/InGaN, а емкостный элемент представляет собой конденсатор.

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий и может быть использовано при создании нового поколения СВЧ элементной базы и интегральных схем на основе гетероструктур широкозонных полупроводников.

Изобретение относится к области СВЧ радиотехники, в частности к проходным дискретным полупроводниковым фазовращателям. Дискретный СВЧ фазовращатель проходного типа, согласованный с волновым сопротивлением ρ0 основной линии передачи, выполнен на основе соединения отрезков линий передачи и управляющих элементов, преимущественно диодов.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ и антенной технике. Устройство возбуждения волны Ε01 в круглом волноводе содержит делитель мощности с N выходами, N элементов связи с круглым волноводом, равномерно расположенных в поперечном сечении на цилиндрической поверхности волновода, которые соединены с N выходами делителя мощности, вход которого является входом устройства возбуждения.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в спутниковой связи с поляризационным уплотнением сигналов как на земных станциях спутниковой связи, так и на спутниках связи.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к фазовращателям. Секция дискретного фазовращателя с цифровым управлением содержит входной направленный ответвитель со слабой связью, вход которого является входом устройства, выходной направленный ответвитель со слабой связью, выход которого является выходом устройства, ослабитель с цифровым управлением, выход которого соединен со связанным входом вторичной линии выходного направленного ответвителя, первый и второй отрезки передающих линий, третью и четвертую замкнутые на конце четвертьволновые связанные передающие линии.

Изобретение относится к радиотехнике, к частотной селекции и фильтрации радиосигналов, может быть использовано в радиолокации и в системах связи. Устройство содержит параллельно включенные полосно-пропускающие фильтры, согласованные с длительностью этой последовательности, установочные фазовращатели и сумматор.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконных линиях связи при разработке мощных волоконных лазеров, а также при конструировании волоконных датчиков физических величин.

Изобретение относится к волоконным световодам и может быть использовано в волоконно-оптических датчиках. .

Изобретение относится к СВЧ-радиотехнике, в частности к фильтрам. Микрополосковый широкополосный фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую - полосковые проводники, электромагнитно связанные между собой. Узкие и широкие прямоугольные полосковые проводники соединены друг с другом в форме нерегулярного меандра, его крайние узкие проводники со стороны свободных концов заземлены на основание, причем входной и выходной порты фильтра подключены кондуктивно к крайним широким проводникам меандра через отрезки микрополосковых линий со скачком волнового сопротивления. Технические результаты – расширение полосы заграждения, повышение крутизны низкочастотного склона частотной характеристики, расширение рабочей полосы пропускания. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике. СВЧ-мультиплексор содержит устройство общего вывода СВЧ-сигнала, суммирующий резонатор, параллельно расположенные полосно-пропускающие фильтры. Суммирующий резонатор представляет собой закороченный на концах отрезок передающей линии, а каждый из полосно-пропускающих фильтров выполнен в виде цепочки связанных резонаторов. Резонаторы каждой цепочки полосно-пропускающего фильтра расположены с образованием двух ярусов. Устройства раздельного ввода СВЧ-сигналов и устройство вывода СВЧ-сигнала выполнены в виде волноводов, отделенных от соответствующих входных резонаторов цепочек полосно-пропускающих фильтров и суммирующего резонатора, поперечной диафрагмой с щелями связи. Волновод каждого из устройств раздельного ввода СВЧ-сигналов снабжен резонансным элементом в виде стержня из диэлектрического материала, размещенным на поперечной диафрагме волновода, и регулировочными элементами перестройки частоты и связи, размещенными в стенке волновода. Резонансный элемент ориентирован вдоль направления распространения СВЧ-сигнала и выполнен с возможностью настройки на граничные частоты полосы пропускания мультиплексора. Технические результаты - уменьшение массы и габаритов, повышение уровня мощности выходного СВЧ-сигнала. 13 з. п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к селекторам радиоволн. Частотно-поляризационный селектор содержит первый ортомодовый преобразователь, представляющий собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены емкостные фильтры нижних частот. На выходе первого ортомодового преобразователя установлен поляризатор Q-диапазона, реализованный на круглом волноводе с пазом с двумя ортогональными выходами. Фильтры соединяются со вторым ортомодовым преобразователем посредством четырех п-образных волноводных секций равной длины, один выход второго ортомодового преобразователя короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор с двумя ортогональными выходами. В первом ортомодовом преобразователе, в узле четырехкратного разветвления, внесены множественные изменения сечения круглого волновода, а также резонансная диафрагма, введенная в область перехода на волновод меньшего диаметра. В плечах ортомодового преобразователя устанавливаются широкополосные емкостные фильтры нижних частот с переменной толщиной диафрагм. В Q-диапазоне частот поляризатор реализован на круглом волноводе с регулируемым пазом. Технический результат - возможность реализации широкополосного частотно-поляризационного селектора в высоких диапазонах частот и разнесенных между собой Ka- и Q-диапазонов частот более чем на октаву. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в технике СВЧ, в частности, в технике спутникового телевидения для приема волн с круговой поляризацией поля. Поляризатор состоит из отрезка круглого волновода и расположенной в нем фазосдвигающей секции, выполненной в виде решетки из плоских прямоугольных проводников, расположенных на тонкой прямоугольной диэлектрической пластине. При этом один плоский прямоугольный проводник выполнен в виде широкого прямоугольного проводника, расположенного симметрично в центральной части диэлектрической пластины, а на краях диэлектрической пластины расположены симметрично по меньшей мере по одному узкому прямоугольному проводнику. Причем волноводный поляризатор выполнен с возможностью совмещения емкостной проводимости узких прямоугольных проводников с эквивалентной емкостной проводимостью краев диэлектрической пластины. Технический результат заключается в обеспечении высокого уровня развязки по поляризации в рабочем диапазоне частот, приемлемого продольного габарита, простоты конструкции и технологичности. 3 ил.

Изобретение относится к областям радиотехники и связи. Сущность заявленного устройства заключается в том, что высокочастотный векторный фазовращатель включает полифазный RC-фильтр, первый вход которого является входом фазовращателя, а второй вход заземлен, аналоговый квадратурный дифференциальный сумматор, состоящий из двух дифференциальных усилителей с переменным коэффициентом усиления в виде ячеек Гильберта и нагрузки, подключенной к шине питания, цифроаналоговый преобразователь, источник напряжений смещения, преобразователь дифференциального сигнала в небалансный, выход которого является выходом фазовращателя. Дополнительно фазовращатель содержит блок ослабления синфазной составляющей, включенный между аналоговым квадратурным дифференциальным сумматором и преобразователем дифференциального сигнала в небалансный и подключенный к источнику напряжений смещения. Технический результат от реализации заявленного изобретения направлен на разработку высокочастотного векторного фазовращателя с небалансным входом для уменьшения ошибки установки фазы и снижения массогабаритных характеристик устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в фазированных антенных решетках для выравнивания фаз СВЧ трактов после их изготовления. Регулировочный фазовращатель СВЧ содержит одинаковые первый и второй отрезки линии передачи, одни концы которых соединены со входом и выходом, а другие соединены между собой третьим проводником. К середине третьего проводника подключен через перемычку разомкнутый шлейф. Между участками шлейфа включены дополнительные перемычки для ступенчатой регулировки фазы. При этом первый и второй отрезки расположены параллельно и соединены дополнительно через конденсатор, выводы которого подключены на одинаковых расстояниях от концов отрезков, с возможностью перемещения вдоль них при регулировке фазы. Емкость конденсатора постоянна и находится в пределах от 1/2ωZ0 до 1/ωZ0, где ω - круговая частота, Z0 - сопротивление входа и выхода, а также волновое сопротивление отрезков линий. Предлагаемый регулировочный фазовращатель при малых габаритах имеет малые погрешности перестройки фазы при широком диапазоне частот согласования. Изобретение обеспечивает уменьшение погрешности установки величины фазы и улучшение согласования в широком диапазоне частот при небольших габаритах. 2 ил.

Изобретение относится к интегральной оптике. Способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре, заключающийся в том, что излучение лазера вводят в четырехслойную планарную направляющую структуру, состоящую из подложки, покровной среды, волноводного высокопреломляющего магнитооптического слоя, намагниченного до насыщения в плоскости границы раздела, в направлении, поперечном распространению света, волноводного нанокомпозитного слоя с расположенным на его поверхности решеточным элементом связи для ввода излучения. Настройка на заданную длину волны, заданные углы ввода и разделение волноводных мод ортогональных поляризаций осуществляется путём подбора отношений толщин диэлектрических нанослоёв двух типов в нанокомпозитном слое. Технический результат заключается в повышении эффективности поляризационного разделения света в планарных направляющих структурах интегральной оптики. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх