Способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре
Владельцы патента RU 2644624:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" (RU)
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.
