Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле



Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле
Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле
Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле
Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле
Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле
Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле
G02F1/0136 - Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика (термометры с использованием изменения цвета или прозрачности G01K 11/12; с использованием изменения параметров флуоресценцией G01K 11/32; световоды G02B 6/00; оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых элементов для управления светом от независимого источника G02B 26/00; управление светом вообще G05D 25/00; системы визуальной сигнализации G08B 5/00; устройства для индикации меняющейся информации путем выбора или комбинации отдельных элементов G09F 9/00; схемы и устройства управления для приборов

Владельцы патента RU 2682070:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Краснодарское высшее военное училище имени генерала армии С.М. Штеменко" Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации. В устройстве преобразователя поляризаций применяется волновод в форме эллипса, часть поверхности над которым покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. В той части поверхности над волноводом, где пленка отсутствует, покровной областью является воздушная среда. Пленка расположена под углом относительно продольной геометрической оси волновода. Такая конструкция позволяет не поворачивать форму поперечного сечения самого канала вдоль оси z, плавно варьировать распределение показателя преломления покровной среды по оси x вдоль волновода. При использовании конструкции интегрально-оптического преобразователя поляризации достигается возможность преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную с низкими потерями оптического излучения и упрощение технологии изготовления оптической схемы. 4 ил.

 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации, и может быть использовано в качестве одной из двух базовых составных частей волноводных изоляторов оптического излучения, применяемых в передатчиках и волоконно-оптических усилителях для оптических линий связи.

Известен интегрально-оптический преобразователь поляризации (Yonghao Fei, Libin Zhang, Yanmei Cao, Xun Lei, Shaowu Chen «A novel polarization rotator based on an asymmetric slot waveguide» // Optics Communications Volume 324, 15 August 2014, Pages 22-25), в котором используется совершенно другой принцип преобразования - биения гибридных мод. За счет изменения длины известного преобразователя поляризации можно получить как полное преобразование ТЕ-ТМ, так и преобразование линейной поляризации излучения в циркулярную поляризацию.

Однако для создания известного преобразователя поляризации используется дорогая технология ионноплазменного напыления и травления, при этом необходима высокая точность геометрических размеров устройства и показателей преломления волноводной структуры. Известное устройство обладает высокими потерями оптического излучения, более 1 дБ/см.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой схеме интегрально-оптического преобразователя поляризации является интегрально-оптический ТЕ-ТМ преобразователь мод волновода (Jing Wang, Ben Niu, Zhen Sheng, Aimin Wu, Wei Li, Xi Wang, Shichang Zou, Minghao Qi, and Fuwan Gan, «Novel ultra-broadband polarization splitter-rotator based on mode-evolution tapers and a mode-sorting asymmetric Y-junction» Opt. Express 22, 13565-13571 (2014)), функционирование которого основано на фундаментальном принципе модовой эволюции. Известное устройство позволяет повернуть поляризацию оптического излучения на 90°.

Однако недостатком известного интегрально-оптического ТЕ-ТМ преобразователя мод волновода является то, что для реализации его оптической схемы необходимо использовать дорогостоящие технологии ионноплазменного напыления и травления. Известное устройство позволяет получить полное преобразование ТЕ-ТМ, но не позволяет преобразовать линейную поляризацию в циркулярную.

Целью изобретения является создание пассивного преобразователя плоскости поляризации на основе асимметричного ионообменного волновода в стекле, который позволяет преобразовать линейную поляризацию излучения в циркулярную, обладает низкими потерями оптического излучения и не требует применения дорогостоящих технологий изготовления волноводов.

Цель достигается тем, что интегрально-оптическая схема пассивного преобразователя линейной плоскости поляризации излучения в циркулярную, выполнена на основе асимметричного ионообменного волновода в стекле, часть поверхности над которым покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. Для изготовления устройства может быть использована технология ионного обмена в стекле с последующим частичным заглублением канала, которая позволит осуществить интеграцию магнитооптического волноводного невзаимного элемента (волновода с покровной пленкой с магнито-оптическими свойствами) и предлагаемой конструкции на единой подложке и получить тем самым единую схему интегрально-оптического изолятора.

В известных приведенных технических решениях имеются признаки, присущие заявленному решению. Это использование интегрально-оптических волноводов в конструкции и возможность преобразовать поляризацию излучения.

Однако свойства заявленного решения отличаются от свойств известных решений тем, что в заявленном устройстве для преобразования поляризации излучения часть поверхности над волноводом в форме эллипса покрыта диэлектрическим слоем, расположенным под углом относительно продольной геометрической оси волновода. Заявленное устройство обладает более низкими потерями оптического излучения и позволяет упростить технологию изготовления волноводной структуры.

В связи с чем, заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями от известных и обеспечивает достижение положительного эффекта: позволяет преобразовать линейную поляризацию излучения в циркулярную, обладает низкими потерями оптического излучения, позволяет применить более дешевую технологию изготовления оптической схемы. В предлагаемом изобретении преобразователь поляризации должен быть выполнен на основе волноводов с асимметричной формой поперечного сечения канала, под которой понимается не только неравенство эффективных размеров волновода, то есть его ширины и толщины, но принципиальным в данном случае выдвигается требование, чтобы такой волноводный канал был повернут на угол 45° относительно осей x и y в декартовой системе координат x-y-z, ориентированной относительно подложки, в которой волновод сформирован. Такая конструкция устройства позволяет осуществить интеграцию магнитооптического волноводного невзаимного элемента (волновода с покровной пленкой с магнитооптическими свойствами) и предлагаемой конструкции на единой подложке и получить тем самым единую схему интегрально-оптического изолятора.

Преимущества данного изобретения станут более очевидными из подробного описания его предпочтительного осуществления со ссылкой на прилагаемые рисунки, в которых:

рис. 1 - изображает схему волноводного преобразователя поляризации;

рис. 2 - распределение показателя преломления волновода до и после этапа селективного заглубления канала через маску (а и b, соответственно);

рис. 3 - поляризации фундаментальных мод ионообменного волновода с показателем преломления покровного слоя, равного показателю преломления подложки;

рис. 4 - поляризации квази-ТЕ и квази-ТМ мод ионообменного волновода с воздушным покровным слоем (а и b, соответственно).

На рис. 1 для пояснения принципа действия и в качестве одного из возможных вариантов технической реализации показана схема преобразователя поляризаций на основе волновода в форме эллипса. Предлагаемая конструкция преобразователя поляризации использует асимметричный волновод. Часть поверхности над волноводом покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. В той части поверхности над волноводом, где пленка отсутствует, покровной областью является воздушная среда. Пленка расположена под небольшим углом относительно продольной геометрической оси волновода, поэтому, в зависимости от продольной координаты (оси z), она покрывает либо полностью всю поверхность над каналом, либо часть этой поверхности, либо она находится вне зоны волновода.

Схема преобразователя поляризации, показанная на рис.1, основана на эволюции моды волновода. Согласно базовому варианту этого метода необходимо адиабатически трансформировать одну форму поперечного сечения канала волновода в другую. Однако применительно к рассматриваемому волноводу можно поступить и иным образом - не поворачивать форму поперечного сечения самого канала вдоль оси z, а оставить ее неизменной и плавно варьировать распределение показателя преломления покровной среды по оси x вдоль волновода, как показано на рис. 1. Такая волноводная схема будет обладать свойствами четвертьволновой пластинки, преобразующей линейную ТЕ- или ТМ-поляризацию излучения в циркулярную.

Волноводы с необходимой для создания устройства формой профиля показателя преломления можно сформировать в стекле путем применения технологии лазерной «записи» канала последовательностью фемтосекундных импульсов оптического излучения (laser writing). Также волновод с асимметричной формой канала, развернутый относительно осей подложки на угол 45°, может быть изготовлен по более доступной технологии ионного обмена с селективным заглублением, при котором на этапе заглубления маскирующий слой закрывает половину поверхности волновода.

Процесс формирования асимметричного волноводного канала производится в 2 этапа. На первом этапе формирования волновода происходит внедрение ионов Ag+ за счет термического ионного обмена Ag+↔Na+ в стеклянную подложку через щель в маске, которая покрывает поверхность подложки, помещенной в расплав соли AgNO3. На втором этапе производится селективное заглубление канала путем приложения напряжения к подложке, которая помещается в расплав соли NaNO3. На этом этапе нанесенная на стекло маска закрывает часть поверхности над сформированным на первом этапе каналом.

Предлагаемая конструкция интегрально-оптического преобразователя поляризации обеспечивает преобразование линейной поляризации излучения в циркулярную при низких потерях оптического излучения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленной поляризационной квантовой криптосистемы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Результаты физико-математического моделирования формирования асимметричного канала в стекле для построения преобразователей поляризации представлены на рис. 2.

На рис. 2 показано распределения показателя преломления волноводного канала после этапа термического ионного обмена и после этапа его селективного заглубления с маской, закрывающей половину поверхности стеклянной подложки над волноводом. Расчеты проводились путем решения двумерного нелинейного уравнения диффузии, и в результате определялось формирующее волновод пространственное распределение показателя преломления, которое зависит от концентрации внедренных ионов Ag+ в стеклянную подложку.

Принцип работы преобразователя поляризаций может быть объяснен с учетом особенностей поляризации мод асимметричного волновода в двух его конфигурациях - покрытого пленкой, и с воздушной покровной средой. Расчет мод волновода был произведен путем решения векторного волнового уравнения.

Параметры волновода: показатель преломления подложки 1,5003, максимальное прирашение показателя преломления волновода 0,03; показатель преломления покровного слоя - либо 1, либо 1,5003; уровень расположения геометрического центра волновода относительно границы подложки с воздухом (при аппроксимации профиля волновода двумерной гауссовой функцией) - 2,5 мкм. Рабочая длина волны 1,55 мкм.

На рис. 3 представлены поляризации фундаментальных мод волновода, покрытого пленкой.

Поляризации мод показаны как распределение вектора напряженности электрического поля в поперечном сечении волновода. Как видно, они линейно поляризованы и направлены вдоль и поперек длиной и короткой части сечения волноводного канала.

На рис. 4 представлены поляризации фундаментальных мод волновода с воздушным покровным слоем.

В данном случае поляризации также линейные, но они ориентированы параллельно и перпендикулярно границе раздела подложки с воздушной средой, то есть являются квази-ТЕ и квази-ТМ модами. Причина такой ориентации поляризаций состоит именно в близости воздушного слоя к волноводному каналу.

Угол поворота поляризации относительно оси у рассчитывается по формуле:

где n(x,y) - распределение показателя преломления в поперечном сечении волновода, Ex(x,y) и Ey(x,y) - поперечные компоненты распределения вектора напряженности электрического поля моды волновода. Интегрирование осуществляется по всей площади локализации волноводной моды. Для указанных параметров волновода, покрытого пленкой, расчетные значения угла поворота поляризации составили -42,4° для первой моды волновода и 47,6° для второй моды. Для волновода с воздушным покровным слоем угол поворота поляризации составил 0,5° для первой моды и -89,5° для второй моды.

Расчет эволюции преобразования моды был произведен полным векторным методом распространяющегося пучка. Результаты расчета: поляризационное преобразование ТЕ0- или ТМ0-моды в циркулярно-поляризованное излучение сопровождается вносимыми потерями энергии оптического излучения в 0,5 дБ при длине устройства 20 мм. При разработке преобразователя и выборе его параметров учитывалась зависимость адиабатической эволюции моды от модового двулучепреломления волновода.

При использовании заявленной конструкции интегрально-оптического преобразователя поляризации достигается возможность преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную с низкими потерями оптического излучения и упрощение технологии изготовления оптической схемы.

Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле, включающий дополнительный диэлектрический слой, нанесенный поверх волновода, отличающийся тем, что в конструкции устройства для преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную часть поверхности над волноводом в форме эллипса покрыта диэлектрическим слоем, расположенным под углом относительно продольной геометрической оси волновода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения кристалла трибората лития LiB3O5 (LBO), являющегося высокоэффективным нелинейно-оптическим материалом, применяющимся для пассивного преобразования частоты лазерного излучения.

Изобретение относится к сенсорным дисплеям. Технический результат заключается в увеличении частоты опроса сенсорных сигналов без оказания влияния на эффект отображения сенсорной панели.

Изобретение относится к блоку визуального отображения, создающему трехмерное объемное пространство. Технический результат заключается в повышении освещенности дисплеев, не ухудшая контрастность.

Изобретение относится к области технологий дисплеев. Технический результат заключается в снижении энергопотребления для подсветки.

Изобретение относится к способу изготовления изогнутого светофильтра, который под воздействием падающего света изменяет свое состояние от светопропускающего к затемняющему.

Изобретение относится к области отображения информации, а именно к подложке цветного фильтра и устройству отображения с изогнутой поверхностью. Подложка цветного фильтра включает первую область затенения света, соответствующую линии сканирования и линии данных подложки матрицы, и вторую область затенения света, соответствующую центральной линии субпиксельной области подложки матрицы.

Водонепроницаемый модуль подсветки содержит светопроводящую пластину, отражающую пластину на нижней стороне светопроводящей пластины, оптическую пленку и панель дисплея, расположенную последовательно над светопроводящей пластиной, а также раму, выполненную на боковой части светопроводящей пластины и оптической пленки, причем на боковую часть панели дисплея, на область соединения, где панель дисплея соединена с рамой, и на соединительный зазор между рамой и отражающей пластиной наносят водонепроницаемый герметик.

В настоящем изобретении раскрыты способы и устройство для подготовки офтальмологической линзы с изменяемой оптической силой. Вставка с изменяемыми оптическими свойствами может иметь поверхности с различными радиусами кривизны.

Изобретение относится к способу предоставления обратной связи в ответ на пользовательский ввод, связанный с сенсорной панелью. Технический результат заключается в повышении функциональности обратной связи в терминале в ответ на наведение средства сенсорного ввода на объект.

Изобретение относится к области устройств отображения, а именно к жидкокристаллическим дисплеям в сборе. Устройство содержит сенсорный экран, верхнюю и нижнюю подложки, слой жидких кристаллов, верхний и нижний поляризатор.

Изобретение относится к радиофотонике, в том числе к технике приема слабых широкополосных радиосигналов, например, от антенн и антенных решеток. Заявленный радиофотонный широкополосный приемный тракт на основе ММШГ-модулятора с подавлением собственных шумов лазера содержит лазер, оптическую линию передачи, устройство оптической связи с ММШГ-модулятором, источник модулирующего радиосигнала (антенну), ММШГ-модулятор и оптический фильтр.

Группа изобретений относится к активным волоконным световодам с полностью волоконными вводом излучения накачки в первую оболочку. Волоконный световод-конус для усиления оптического излучения содержит сердцевину из кварцевого стекла, легированного ионами редкоземельных элементов и дополнительными легирующими добавками (например, Ge, Al, Р, F, В), взятыми вместе или по отдельности, при этом диаметр сердцевины увеличивается по длине световода.

Изобретение относится к устройствам отражающих графических дисплеев. Отражающий графический дисплей содержит передний лист, содержащий множество полусферических выступов, передний и задний электроды, диэлектрический слой на поверхности по меньшей мере одного электрода, жидкую среду с электрофоретически подвижными частицами, слой массива цветного светофильтра, систему направленного переднего света, а также диэлектрический слой.

Изобретение относится к области физических исследований и управлению свойствами молекул и материалов, в частности к способу модификации свойств молекул и устройству для реализации способа, и может быть использовано для изменения физических свойства веществ, например диэлектрической проницаемости, электропроводности, флуоресценции, индуктивности и химических свойств, например констант связывания и скорости химических реакций.

Изобретение относится к области регистрации биологических, химических и биохимических процессов на границе жидкость-твердое тело и газ-твердое тело, т.е. к области биологических, химических и биохимических поверхностных сенсоров.

Изобретение относится к оптической системе передачи для аналоговых или цифровых радиочастотных сигналов с использованием твердотельного лазера с внешней модуляцией.

Изобретение относится к оптической технике. Оптический модулятор, каждый пиксель которого содержит перекрывающие площадь пикселя неподвижный плоский поляризатор и параллельный ему подвижный плоский поляризатор.

Использование: для создания оптических модуляторов и переключателей лазерного излучения в заданном спектральном диапазоне с использованием наноразмерной оптики.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к конвертеру поляризации лазерного излучения. Оксидное стекло обрабатывают сфокусированным лазерным пучком.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа управления спектром пучка широкополосного терагерцевого излучения. Способ включает в себя размещение на пути пучка излучения селективно поглощающего фильтра в виде поверхности проводящей пластины, придание излучению p-поляризации, преобразование поляризованного излучения в пучок направляемых поверхностью поверхностных плазмон-поляритонов, преобразование плазмон-поляритонов после пробега ими по пластине макроскопического расстояния в объемные электромагнитные волны.

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации. В устройстве преобразователя поляризаций применяется волновод в форме эллипса, часть поверхности над которым покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. В той части поверхности над волноводом, где пленка отсутствует, покровной областью является воздушная среда. Пленка расположена под углом относительно продольной геометрической оси волновода. Такая конструкция позволяет не поворачивать форму поперечного сечения самого канала вдоль оси z, плавно варьировать распределение показателя преломления покровной среды по оси x вдоль волновода. При использовании конструкции интегрально-оптического преобразователя поляризации достигается возможность преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную с низкими потерями оптического излучения и упрощение технологии изготовления оптической схемы. 4 ил.

Наверх