Оптический волноводный амплитудный модулятор

 

Использование: изобретение относится к оптической обработке информации, в частности к устройствам интегральной оптики, и может быть применено в качестве амплитудного модулятора оптического излучения, сохраняющего фазу оптического сигнала в процессе амплитудной модуляции. Сущность: устройство содержит N-оптических канальных волноводов, последовательно расположенных и разделенных неволноведущими (N-1) участками, две гальванически развязанных между собой системы металлических управляющих электродов (СМУЭ). Выходные торцы оптических канальных волноводов, за исключением N-того оптического канального волновода, заключены в межэлектродных областях (N-1) пар металлических управляющих электродов первой СМУЭ, а входные торцы оптических канальных волноводов за исключением первого оптического канального волновода заключены в межэлектродных областях (N-1) пар металлических управляющих электродов второй СМУЭ. Первая и вторая СМУЭ имеют равные суммарные длины вдоль распространения оптического излучения. 1 ил.

Изобретение относится к оптической обработке информации, в частности к устройствам интегральной оптики, и может быть применено в качестве амплитудного модулятора органического излучения, сохраняющего фазу оптического сигнала в процессе амплитудной модуляции в волоконно-оптических линиях связи, а также в оптических датчиках физических величин.

Известен электрооптический модулятор [1] отечественного типа, содержащий сегнетоэлектрическую подложку с титандиффузионным волноводом и парой металлических электродов. При приложении к электродам управляющего напряжения возникают условия отсечки основной волноводной моды канального волновода, что приводит к амплитудной модуляции оптического излучения.

К недостаткам этого электрооптического модулятора можно отнести высокое управляющее напряжение 165 А, изменение фазы оптического излучения в процессе амплитудной модуляции, большие габариты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является модулятор [2] на канальном титандиффузионном волноводе в монокристалле ниобата лития, содержащий сегнетоэлектрическую подложку с канальным волноводом и пару металлических электродов, расположенных симметрично по обе стороны канального волновода. При приложении к электродам управляющего напряжения благодаря электрооптическому эффекту изменяется показатель преломления канального волновода, заключенного в межэлектродной области, и возникают условия отсечки волноводной моды, что приводит к модуляции амплитуды оптического излучения на выходе оптического модулятора.

К недостаткам данного модулятора можно отнести малую глубину модуляции оптического излучения, порядка 90% высокое управляющее напряжение 20 В, изменение фазы оптического сигнала в процессе модуляции его амплитуды, большие линейные размеры устройства, обусловленные большой протяженностью его управляющих электродов.

Технической задачей изобретения является увеличение глубины модуляции, уменьшение управляющего напряжения, сохранение фазы модулируемого по амплитуде оптического сигнала, однонаправленность амплитудной модуляции, уменьшение габаритов устройства.

Поставленная задача достигается тем, что оптический волноводный амплитудный модулятор содержит сегнетоэлектрическую подложку с последовательно расположенными N оптическими канальными волноводами, соосными между собой и разделенными неволноведущими (N-1) участками, а также (N-1) парами управляющих металлических электродов, гальванически параллельно соединенных между собой, которые образуют первую систему металлических электродов (СМУЭ) и (N-1) парами управляющих металлических электродов, гальванически соединенных параллельно между собой, которые образуют вторую СМУЭ. Первая и вторая СМУЭ имеют равные суммарные длины вдоль распространения оптического излучения и гальванически развязаны между собой диэлектрическим оптически прозрачным слоем, расположенным на поверхности сенергетической подложки и первой СМУЭ. Выходные торцы оптических канальных волноводов за исключением N-того оптического канального волновода заключены в межэлектродных областях (N-1) пар металлических управляющих электродов первой СМУЭ, а входные торцы оптических канальных волноводов за исключением первого оптического канального волновода заключены в межэлектродных областях (N-1) пар металлических управляющих электродов второй СМУЭ. Входной торец первого оптического канального волновода и выходной торец того оптического канального волновода являются оптическим входом и оптическим выходом устройства соответственно.

Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что в качестве оптического волноведущего слоя оно имеет последовательно расположенные N оптических канальных волноводов, разделенных не волноведущими (N-1) участками, а в качестве управляющих электродов имеет две гальванически развязанных между собой СМУЭ, что позволяет осуществлять модуляцию амплитуды оптического излучения как за счет рассогласования числовых апертур входных и выходных торцов N оптических канальных волноводов, так и за счет отсечки волноводной моды оптического излучения. Кроме того, противополярное включение первой и второй СМУЭ приводит к сохранению фазы оптического излучения в процессе его амплитудной модуляции.

На чертеже изображена схема оптического волноводного амплитудного модулятора.

Оптический волноводный амплитудный модулятор содержит сегнетоэлектрическую подложку 1, систему оптических канальных волноводов (ОКБ) 2, систему металлических управляющих электродов (СМУЭ) 3, систему металлических управляющих электродов (СМУЭ) 4, диэлектрический оптически-прозрачный слой 5, оптический вход 6, оптический выход 7.

В качестве сегнетоэлектрической подложки 1 можно использовать монокристалл ниобата лития "х" среза, в котором методом термодиффузии титана сформирована система с N оптическими канальными волноводами (ОКВ) 2, соосными между собой, толщина слоя титана 17 нм, температура и время диффузии 1000^oС и 7 ч соответственно. Ширина оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 равна 5000 нм, длина одиночного канального волновода системы ОКВ 2 равна 30 мкм, расстояние между ними (т.е. неволноведущий участок) равно 10 мкм.

Первая СМУЭ 3 формируется из алюминиевой пленки на поверхности сегнетоэлектрической подложки 1 методами жидкостной фотолитографии, причем входные торцы оптических канальных волноводов системы ОКВ 2, кроме последнего (относительно направления распространения оптического излучения), заключены в межэлектродных областях электродов СМУЭ 3. Диэлектрический оптически прозрачный слой 5 толщиной 100 нм наносится методом вакуумного напыления на поверхность СМУЭ 3 сегнетоэлектрической подложки 1, причем показатель преломления диэлектрического оптически прозрачного слоя 5 должен быть меньше показателя преломления системы ОКВ 2, например в качестве диэлектрического оптически прозрачного слоя можно использовать пленку SiO₂ или Al₂O₃.

Вторая СМУЭ 4 формируется из алюминиевой пленки на поверхности диэлектрического оптически прозрачного слоя 5 методами жидкостной фотолитографии, причем входные торцы оптических канальных волноводов системы ОКВ 2, кроме первого (относительно направления распространения оптического излучения), заключены в межэлектродных областях электродов СМУЭ 4. СМУЭ 3 и 4 содержат по (N-1) пар электродов (например по 100 пар, N определяется из соображений необходимой глубины модуляции, быстродействия устройства и его геометрических размеров), величина зазора каждой пары электродов СМУЭ 3 и 4 равна ширине оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 и для данного случая определяется величиной 500 нм, длина каждой пары электродов СМУЭ 3 и 4 (относительно направления распространения оптического излучения) равна 10 мкм. Оптический вход 6 и оптический выход 7 устройства представляют собой отполированные торцы первого и последнего оптических канальных волноводов системы ОКВ 2.

Рассмотрим работу оптического волноводного амплитудного модулятора. Для простоты рассмотрим устройство с системой симметричных ОКВ 2 круглого поперечного сечения оптических канальных волноводов.

Подадим на оптический вход в устройства оптическое излучение интенсивностью I_o, оно, пройдя через систему ОКВ 2, выйдет через оптический выход 7. Чтобы оценить оптические потери излучения, рассмотрим распространение оптического излучения через одиночный неволноведущий участок в системе ОКВ 2. Оптическое излучение, выходящее из оптического канального волновода в сегнетоэлектрическую подложку 1, имеет эффективный радиус волноводной моды, определяемый выражением где a радиус поперечного сечения оптического канального волновода системы ОКВ 2; N_эфф эффективный показатель преломления волноводной моды; n₂ показатель преломления сегнетоэлектрической подложки 1; k=2π/λ_o волновой вектор; λ_o длина волны оптического излучения.

Оптическое излучение распространяется через не волноведущий участок в соответствии с законом распространения гауссова пучка в среде с показателем преломления n₂ (т.е. сегнетоэлектрической подложке 1), при этом оптическое излучение достигнет входного торца следующего оптического канального волновода системы ОКВ 2 с эффективным радиусом оптического излучения где Z длина неволноведущего участка; .

Оптические потери, обусловленные прохождением оптической волноводной моды через одиночный неволноведущий участок, определяются формулой

Оптические потери излучения, проходящего через (N-1) неволноведущих участков и систему ОКВ 2, определяются выражением
T_N 1 (1 T)^N (4)
Расчеты показывают, что для устройства с системой ОКВ 2, имеющей 100 неволноведущих участков длиной по 10 мкм каждый, радиусом оптического канального волновода, равным a 2,5 мкм и эффективным показателем преломления волноводной моды N_эфф 2,2042 для длины волны оптического излучения λ_o=0,6328 мкм, общие оптические потери, обусловленные потерями на прохождении оптического излучения через неволноведущие участки, равны 2,5%
Подадим на СМУЭ 3 управляющее напряжение V₁ полярности, приводящей к увеличению показателя преломления на выходах оптических канальных волноводов системы ОКВ 2, величина приращения показателя преломления определяется формулой

где r₃₃ электрооптический коэффициент сегнетоэлектрической подложки 1 вдоль оси Z;
d расстояние между электродами СМУЭ 3, в данном случае
d 2·a,
а на СМУЭ 4 подадим управляющее напряжение V₂ полярности, приводящей к уменьшению показателя преломления на входах оптических канальных волноводой системы ОКВ 2, уменьшение показателя преломления определяется по формуле (5). Отметим, что
В связи с изменениями показателей преломления на входах и выходах оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 изменяются и эффективные радиусы волноводных мод. На выходах канальных волноводов системы ОКВ 2 эффективный радиус волноводной моды будет определяться выражением

на входах оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 эффективный радиус волноводной моды будет определяться выражением

где
т. к. эффективный радиус оптических канальных волноводов системы ОКВ 2, принимающих оптическое излучение (т.е. на входах оптических канальных волноводах системы ОКВ 2), определяется выражением

запишем выражение, определяющее глубину модуляции амплитуды оптического излучения на одном неволноведущем участке, которая обусловлена рассогласованием числовых апертур входов и выходов оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 за счет электрооптического эффекта и это выражение имеет вид

Общая глубина модуляции амплитуды оптического сигнала на (N-1) неволноведущем участке, обусловленная рассогласованием числовых апертур входов и выходов оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 определяется выражением
η_N=1-(1-η_o)^N (10)
Расчеты показывают, что для устройства с системой ОКВ 2, имеющей 100 неволноведущих участков по 10 мкм каждый, радиусом оптического канального волновода (т.е. радиусом поперечного сечения) a 2,5 мкм и эффективным показателем преломления волноводной моды N_эфф 2,2042 для длины волны оптического излучения λ_o=0,6328 мкм, n₂ 2,200 (подложка LiNbO₃ "х"-среза r₃₃ 30,8·10¹² м/В) и с двумя системами СМУЭ 3 и 4, которые имеют по 100 пар электpодов каждая при длине каждой пары вдоль направления распространения оптического излучения l 10 мкм, зазоре между электродами d 2·a 5 мкм, общая глубина амплитудной модуляции при управляющем напряжении на СМУЭ 3 и 4 равна η_N=94,4%.
Общая глубина модуляции амплитуды предлагаемого устройства определяется суммарным эффектом модуляции и определяется формулой
η_общ=η_N+η_отс (11)
где η_N глубина модуляции амплитуды, обусловленная рассогласованием апертур входов и выходов оптических канальных волноводов системы ОКВ 2;
η_отс глубина модуляции амплитуды, обусловленная отсечкой волноводной моды оптического излучения, распространяющегося по системе ОКВ 2 в области межэлектродных зазоров n пар электродов СМУЭ 4, т.к. вектор электрического поля в этой области направлен против кристаллографической оси Z сегнетоэлектрической подложки 1.

Очевидно, что фаза оптического излучения на оптическом выходе 7 устройства не изменяется в процессе амплитудной модуляции, т.к. суммарная длина (вдоль направления распространения оптического излучения) электродов СМУЭ 3, равна суммарной длине электродов СМУЭ 4, а управляющее напряжение, прикладываемые к этим системам (СМУЭ 3 и 4), равны по модулю и противоположны по знаку, что приводит к компенсации набега фазы оптического излучения, прошедшего по системе ОКВ 2 устройства.

Кроме того, предлагаемое устройство обладает эффектом независимости, т. е. при прохождении оптического излучения в обратном направлении (от оптического выхода 7 к оптическому входу 6 амплитудной модуляции фактически не происходит, т.к. оптическое излучение в этом случае выходит в области неволноведущих участков из оптических канальных волноводов системы ОКВ 2 с эффективным радиусом волноводной моды меньшим, чем эффективный радиус входного оптического канального волновода системы ОКВ 2, что и определяет практически приблизительно 100%-ное прохождение оптического излучения через области неволноведущих участков и систему ОКВ 2 устройства.

Формула изобретения

Оптический волноводный амплитудный модулятор, содержащий сегнетоэлектрическую подложку, волновод и металлические электроды, отличающийся тем, что он дополнительно содержит N последовательно расположенных оптических канальных волноводов, соосных между собой и разделенных неволноведущими N-1 участками, а также N-1 пар металлических управляющих электродов, гальванически соединенных параллельно между собой и образующих первую систему металлических управляющих электродов, N-1 пар металлических управляющих электродов, гальванически соединенных параллельно между собой и образующих вторую систему металлических управляющих электродов, причем первая и вторая системы металлических управляющих электродов имеют равные суммарные длины вдоль распространения оптического излучения и гальванически развязаны между собой диэлектрическим оптически прозрачным слоем, расположенным на поверхности сегнетоэлектрической подложки и первой системе металлических управляющих электродов, выходные торцы оптических канальных волноводов, за исключением N-го оптического канального волновода заключены в межэлектродных областях N-1 пар металлических управляющих электродов первой системы металлических управляющих электродов, а входные торцы оптических канальных волноводов, за исключением первого оптического канального волновода, заключены в межэлектродных областях N-1 пар металлических управляющих электродов второй системы металлических управляющих электродов, входной торец первого оптического канального волновода и выходной торец N-го оптического канального волновода являются оптическим входом и оптическим выходом устройства соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1