ВОЛНОВОДНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ МОД Российский патент 1995 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к оптической обработке информации, в частности к устройствам интегральной оптики, и может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, увеличение быстродействия и минимизация устройства.

Цель достигается тем, что волноводный преобразователь оптических мод содержит оптическую подложку с оптическим волноводом и металлическими электродами. Над оптическим волноводом расположен покровный слой, а также вторые металлические электроды, межэлектродная область которых соосна межэлектродной области первых металлических электродов и соосна оптическому входу и оптическому выходу. Электрооптический прозрачный слой с показателем преломления большим, чем показатель преломления оптического волновода, расположен на поверхности оптического волновода над первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем, а его толщина монотонно увеличивается от первой к второй паре металлических электродов.

Электрооптический прозрачный слой может иметь постоянную толщину, а его показатель преломления увеличивается от первой к второй паре металлических электродов.

На фиг. 1 изображена схема волноводного преобразователя оптических мод; на фиг. 2 изображено распределение показателя преломления трехслойной волноводной структуры; на фиг. 3 изображено графическое решение характеристического уравнения для оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры; на фиг. 4 изображено распределение показателей преломления четырехслойной волноводной структуры; на фиг. 5 изображено графическое решение характеристического уравнения для оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов четырехслойной волноводной структуры; на фиг. 6 совместно изображены графические решения характеристических уравнений оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур; на фиг. 7 и 8 изображены графические решения характеристических уравнений оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур при приложении на металлические электроды управляющих напряжений; на фиг. 9 и 10 изображены графические решения характеристических уравнений оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур при приложении на металлические электроды управляющих напряжений.

Волноводный преобразователь оптических мод содержит оптическую подложку 1, оптический волновод 2, электрооптический прозрачный слой 3, покровный слой 4, металлические электроды 5, металлические электроды 6, оптический вход 7, оптический выход 8. Электрооптический прозрачный слой 3 представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью, причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода 2 образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического излучения. Оптический вход 7 и оптический выход 8 расположены соосно межэлектродным областям металлических электродов 5 и металлических электродов 6. Электрооптический прозрачный слой 3 расположен на поверхности оптического волновода 2 над металлическими электродами 5 и металлическими электродами 6.

Рассмотрим работу волноводного преобразователя оптических мод (фиг. 1). Подадим на оптический вход 7 оптическое когерентное излучение; оно будет распространяться по оптическому волноводу 2. Для облегчения рассмотрения разобьем оптический волновод 2 условно на три области I, II, III (фиг. 1), где в I и III областях оптический волновод 2 представляет собой трехслойную волноводную структуру (фиг. 2), и характеристическое уравнение которого может быть представлено в виде:
WK-Ф₂₄-Ф₂₃= πN (1) при N 0, 1, 2, где Ф₂₄ arctg{[(β/k)² n₄²] ^1/2/n₄²[n₂² (β/k)²]^1/2} (2) Ф₂₃ arctg{[(β/k)² n₃²]^1/2/n₂²[n₂² (β/k)²]^1/2} (3) для оптической волны ТМ-типа, где Ф₂₄ arctg{n₂²[(β/k)² n₄²]^1/2/n₄²[n₂² -(β/k)²]^1/2} (4)
Ф₂₃ arctg{n₂²[(β/k)² n₃²]^1/2/n₃²[n₂² (β/k)²]^1/2} (5) для оптической волны ТЕ-типа, где Ф_ij набег фазы оптического когерентного излучения на границе раздела i и j слоев; N порядковый номер моды; n₁ показатель преломления электрооптического прозрачного слоя 3; n₂ показатель преломления оптического волновода 2; n₃ показатель преломления оптической подложки 1; n₄ показатель преломления покровного слоя 4; β- постоянная распространения оптического излучения; W глубина оптического волновода 2; K волновое число (K 2 π / λ); λ длина волны оптического излучения в свободном пространстве.

Решение характеристического уравнения (1) для ТМ- и ТЕ-типов оптических волноводных мод (при N 0) представлено графически на фиг. 3; из графического решения видно, что при фиксированной толщине W оптического волновода 2 и при фиксированных значениях показателей преломления n₂, n₃, n₄ в областях I и III по оптическому волноводу 2 могут распространяться оптические волны ТМ- и ТЕ-типа с постоянными распространения β₁ и β₂ соответственно.

В области II (фиг. 1) оптический волновод 2 покрыт электрооптическим прозрачным слоем 3, который представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью ABCD, причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода 2 образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического излучения. В области II оптический волновод 2 представляет собой четырехслойную волноводную структуру, причем высота электрооптического прозрачного слоя 3 изменяется с изменением координаты вдоль оси Y (фиг. 1).

Распределение показателя преломления четырехслойной волноводной структуры (область II) в фиксированном сечении представлено на фиг. 4.

Очевидно, что постоянные распространения β₁ и β₂ оптических волн ТМ- и ТЕ-типов соответственно должны удовлетворять неравенству:
(6) и в области II для четырехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение при условии, что
kn₂ ≥ β ≥ kn₃ (7) имеет вид:
Hh₁ N π + arctg (I₁₄h₄/h₁) +
+arctg{ I₁₂(h₂/h₁) tg [arctg(I₂₃h₃/h₂) Wh₂] (8) при N 0, 1, 2, где h₁² k²n₁ β²;
h₂² k²n₂ β²;
h₃² -k²n₃² + β²;
h₄ β² k²n₄²;
I_ij= где Н толщина оптического прозрачного слоя 3.

Решение характеристического уравнения (8) при N 0 и толщине оптического волновода 2, равной W, в областях I и III представлено графически на фиг. 5.

На фиг. 6 совместно показаны графические решения характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур соответственно. Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур (фиг. 6) определяется толщина H₁ электрооптического прозрачного слоя 3, при котором в данном оптическом волноводе 2 (область II) будет существовать оптическая волноводная мода ТМ с постоянной распространения β₁*, равной постоянной распространения β₁ оптической волноводной моды ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (области I и III). При выполнении условия согласования постоянных распространения оптических волноводных мод трехслойной волноводной структуры β₁ и четырехслойной водноводной структуры β₁* (т.е. при β₁* β₁) оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (область I) преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (на границе областей I и II, фиг. 1) без энергетических потерь.

Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур (фиг. 6) следует, что при выбранной толщине Н₁ электрооптического прозрачного слоя 3 оптическая волноводная мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область I) при переходе в четырехслойную волноводную структуру (область II, фиг. 1) преобразуется в оптическую излучательную моду, так как при фиксированной толщине Н₁ электрооптического прозрачного слоя 3 и постоянной распространения β₂ оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение (8) для четырехслойной волноводной структуры не имеет решения, поскольку оптические волноводные моды ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур не согласованы по постоянным распространения (т.е. β₁* ≠ β₂).

При распространении оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры от границы областей I, II к границе областей II, III (фиг. 1) с увеличением толщины электрооптического прозрачного слоя 3 постоянная распространения данной моды возрастает и на границе областей II, III при достижении значения постоянной распространения β₂* оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, равной постоянной распространения β₂ оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры, из решений характеристических уравнений (1) и (8) определяется толщина Н₂электрооптического прозрачного слоя 3 (фиг. 6). При этом, так как выполняется условие согласования постоянных распространения β₂* оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры и β₂ оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (т.е. β₂* β₂), оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II) преобразуется в оптическую волноводную моду ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область III) на границе областей II, III без энергетических потерь. Таким образом, на оптическом выходе 8 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТЕ-поляризации.

Подадим на металлические электроды 5 управляющее напряжение такой полярности, чтобы показатель преломления электрооптического прозрачного слоя изменился в сторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону:
Δn_э.о= r_ijn32

E (9) где Е напряженность электрического поля в межэлектродной области;
r_ij компонента электрооптического тензора.

В результате увеличивается постоянная распространения оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры на величину Δ β, которая определяется из решения характеристического уравнения (8) путем подстановки в данное уравнение вместо n₁ n₁ + +n_э.о. Величина прикладываемого управляющего напряжения U₁ определяется из уравнений (8), (9) и должна удовлетворять условию, что изменение постоянной распространения β₁^* оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры должно происходить на величину Δ β₁, равную
Δ β^' / β₂^* β₁^* / (10)
В этом случае оптическая волноводная мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры на границе областей I и II (фиг. 1) преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, так как выполняется условие согласования постоянных распространения данных оптических волноводных мод (фиг. 7), т.е.

(β₁ + Δ β') β₂* (11)
Таким образом, в области II (фиг. 1) четырехслойной волноводной структуры от границы областей I и II будет распространяться оптическая волноводная мода ТМ-типа.

Оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры при данном приложенном управляющем напряжении U₁ к металлическим электродам 5 имеет на границе раздела областей I и II постоянную распространения β₁ и при переходе в четырехслойную волноводную структуру (область II, фиг. 1) будет преобразовываться в оптическую излучательную моду, так как не выполняется условие согласования по постоянным распространения оптической волноводной моды ТМ-типа трехслойной волноводной структуры и оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Н₁ электрооптического прозрачного слоя 3 (фиг. 7), т.е.

β₁^* + Δ β ' ≠ β₁ (12)
Рассмотрим случай подачи на металлические электроды 5 управляющего напряжения U₂ такой полярности, чтобы электрооптический прозрачный слой 3 изменил показатель преломления в сторону уменьшения за счет электрооптического эффекта по закону:
Δn r_ijn32

E (13)
В результате уменьшается постоянная распространения β₁ оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры на величину , определяемую из (8), (13). В связи с этим происходят преобразования как оптической волноводной моды ТМ-типа, так и ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область I, фиг. 1) в оптические излучательные моды четырехслойной волноводной структуры (область II, фиг. 1) на границе областей I, II, так как не выполняются условия согласования по постоянным распространения оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры (область I) и оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Н электрооптического прозрачного слоя 3 (фиг. 8), т.е.

β*1

- ≠ β₁; β*1- ≠ β₂
Таким образом, прикладывая к металлическим электродам 5 управляющее напряжение необходимой полярности и величины, возможно оптические волноводные моды ТМ- и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры на границе областей I и II преобразовать либо в оптическую волноводную моду ТМ-типа, либо в оптические излучательные моды четырехслойной волноводной структуры (область II, фиг. 1), что говорит не только о возможности конверсии мод, но и о возможности амплитудной модуляции.

Следовательно, при фиксированной толщине Н₁ электрооптического прозрачного слоя 3 (фиг. 1) в четырехслойной волноводной структуре (область II) будет распространяться оптическая волноводная мода ТМ-типа, и с увеличением толщины электрооптического прозрачного слоя 3 будет возрастать значение постоянной распространения данной оптической моды, и при толщине Н₂ электрооптического прозрачного слоя 3 значение постоянной распространения этой оптической моды будет равно β₂*.

Подадим на металлические электроды 6 управляющее напряжение такой полярности, чтобы показатель преломления электрооптического прозрачного слоя 3 изменился в сторону уменьшения за счет электрооптического эффекта по закону (9). В результате уменьшается постоянная распространения оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры на величину Δ β, которая определяется из решения характеристического уравнения (8) путем подстановки в данное уравнение вместо n₁ n₁ + Δ n_э.о.

Величина прикладываемого управляющего напряжения U₃ определяется из уравнений (8) и (9) и должна удовлетворять условию, что уменьшение постоянной распространения β₁* оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры должно происходить на величину (под действием электрооптического эффекта), равную
- (14)
В этом случае оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II, фиг. 1) на границе областей II и III преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (область III), так как выполняется условие согласования постоянных распространения данных оптических волноводных мод (фиг. 10), т.е.

(β*2

-) β₁ (15)
Таким образом, в области III трехслойной волноводной структуры будет распространяться оптическая волноводная мода ТМ-типа.

Подадим на металлические электроды 6 управляющее напряжение U₄такой полярности, чтобы показатель преломления электрооптического прозрачного слоя 3 увеличился за счет электрооптического эффекта по закону (9). В результате увеличивается постоянная распространения оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры на величину Δ β, которая определяется из решения характеристического уравнения (8) путем подстановки в данное уравнение вместо n₁ n₁ + Δ n_э.о.

В связи с этим оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II) на границе областей II, III преобразуется в оптические излучательные моды трехслойной волноводной структуры (область III), так как не удовлетворяются условия согласования постоянных распространения оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры и оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры (фиг. 9), т.е. β*2

+ ≠ β₁ и β*2+ ≠ β₂.

Исходя из вышеизложенного, легко рассмотреть работу предлагаемого устройства при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6.

Функциональные возможности волноводного преобразователя оптических мод при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6 при различных комбинациях состояния поляризации оптического когерентного излучения на оптическом входе 7 представлены в табл. 1.

Из рассмотренной выше теории следует, что при подаче оптического когерентного излучения различных комбинаций состояния поляризации на оптический выход 8 предлагаемое устройство при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6 будет функционировать, как показано в табл. 2.

Из вышеизложенного следует, что при подаче на металлические электроды 5 управляющего напряжения , удовлетворяющего условию
U₁≅ ≅ U₂, (16) и при одновременной подаче на металлические электроды 6 управляющего напряжения , удовлетворяющего условию
U₃≅ ≅ U₄ (17) предлагаемое устройство будет функционировать либо как аналоговый амплитудный модулятор, либо как аналоговый поляризационный модулятор оптического излучения, в зависимости от комбинации приложенных управляющих напряжений к металлическим электродам 5 и металлическим электродам 6.

Частным случаем предлагаемого устройства является устройство, у которого электрооптический прозрачный слой 3 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с показателем преломления, монотонно увеличивающимся от первой к второй паре металлических электродов, причем наименьший показатель преломления этого слоя должен быть больше показателя преломления оптического волновода 2. Очевидно, что значения показателей преломления электрооптического прозрачного слоя 3, необходимые для эффективного функционирования заявляемого устройства, определяются из решений характеристических уравнений трехслойной и четырехслойной волноводных структур.

Из рассмотренной выше теории следует, что эффективность работы предлагаемого устройства, т.е. эффективность преобразования оптических волноводных мод, не зависит ни от длины металлических электродов 5 и 6, ни от длины L электрооптического прозрачного слоя 3, что обусловлено тем, что межмодовые взаимодействия происходят на расстояниях порядка длин волн оптического когерентного излучения.

Рассмотрение работы предлагаемого устройства в качестве примера проводилось для планарного оптического волновода. Очевидно, что при замене характеристических уравнений (1) и (8) на характеристические уравнения, соответствующие параметрам оптических волноводов любого типа, данная теория будет справедлива.

В качестве оптической подложки 1 можно использовать стекло К-8, в котором методом термодиффузии калия сформирован оптический волновод 2, технологические режимы изготовления которого удовлетворяют условию существования в оптическом волноводе 2 одной ТМ и одной ТЕ оптической волноводной моды при заданном значении длины волны оптического когерентного излучения (длина волны оптического когерентного излучения λ 0,85 мкм; температура диффузии Т 350^оС; время диффузии t 1 ч). На поверхности оптического волновода 2 расположены металлические электроды 5 и 6 из алюминия, изготовленные методом жидкостной фотолитографии (ширина электрода 20 мкм, зазор между электродами 7 мкм, длина электродов 500 мкм, толщина 0,2 мкм). На поверхности оптического волновода 2 расположен электрооптический прозрачный слой 3, изготовленный из ZnO и имеющий следующие параметры: n₁ 2,015, L 1500 мкм, Н₁0,06 мкм, Н₂ 0,08 мкм). В качестве покровного слоя 4 может быть применена любая оптически прозрачная среда с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления оптического волновода 2, в нашем случае воздух (n₄ 1).

Область применения: оптическая обработка информации, в частности устройства интегральной оптики, и может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконнооптических линий связи. Сущность изобретения: в устройстве используется оптическая подложка с оптическим волноводом и двумя парами металлических электродов, межэлектродные области которых соосны оптическому входу и оптическому выходу. Электрический прозрачный слой с показателем преломления большим, чем показатель преломления оптического волновода, расположен на поверхности оптического волновода над первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем и представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью, которая при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода образует прямую, перпендикулярную распространения оптического когерентного излучения. 1 з. п. ф-лы, 10 ил. 2 табл.

1. ВОЛНОВОДНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ МОД, содержащий оптическую подложку с оптическим волноводом, устройства ввода-вывода излучения и пару металлических электродов, над которыми расположен покровный слой, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, увеличения быстродействия и снижения габаритов, он дополнительно содержит вторую пару металлических электродов, межэлектродная область которой соосна с межэлектродной областью первой пары металлических электродов, а также с устройствами ввода и вывода излучения, над парами электродов на поверхности волноводного слоя расположен электрооптически прозрачный слой длины, необходимой для установления волноводного режима под электрооптически прозрачным слоем, с показателем преломления, большим показателя преломления оптического волновода, причем электрооптически прозрачный слой не является волноводным при данной длине волны оптического излучения, а его толщина монотонно увеличивается от первой к второй паре металлических электродов. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрооптически прозрачный слой имеет постоянную толщину, а его показатель преломления монотонно увеличивается от первой к второй паре металлических электродов.