ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ СВЕТОФИЛЬТР Российский патент 1998 года по МПК G02F1/23 

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в оптоэлектронике.

Известно устройство, позволяющее непрерывно перемещать спектральные полосы [1], однако оно имеет низкие функциональные возможности, заключающиеся в невозможности электрического управления интенсивностью светового потока, невозможности избирательного смешивания световых потоков с различным спектральным составом и регулировкой различных интенсивностей световых потоков с разным спектральным составом и сложно.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электрически управляемый светофильтр [2], содержащий элемент с электрически управляемым двулучепреломлением и нанесенными на него управляющими электродами, подключенными к контактам для подключения к второму источнику управляющего напряжения.

Его недостатками являются низкие функциональные возможности. Невозможно одновременное управление управляющими напряжениями как спектральным составом светового потока, так и его интенсивностью. Устройство сложно и имеет низкое быстродействие, так как содержит жидкокристаллические твист-ячейки, имеющие низкое быстродействие.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, заключающихся в одновременном управлении управляющими напряжениями как спектрального состава светового потока на выходе фильтра, так и его интенсивности, повышение быстродействия, упрощение устройства.

Эта задача решается за счет того, что в электрически управляемом светофильтре, содержащем оптически связанные оптический вход, элемент с электрически управляемым двулучепреломлением и оптический выход, элемент с электрически управляемым двулучепреломлением выполнен клинообразной формы, и в устройство введена линейка интегрально-оптических модуляторов, оптически связанная с клинообразной частью элемента с электрически управляемым двулучепреломлением, и линейка выходных световодов, оптически связанная линейкой интегрально-оптических модуляторов.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы предлагаемого устройства с различным выполнением по ширине волноводного канала; на фиг. 3 - приведена схема предлагаемого устройства с K волноводными каналами; на фиг. 4 - элемент с электрически управляемыми двулучепреломлением; на фиг. 5 - волноводный канал; на фиг. 6 - зависимость оптимальной яркости света на выходе волноводного канала от относительного значения управляющего напряжения.

Устройство (фиг. 1) содержит модулятор на волноводном канале 1, выполненный в пластине 2 из ниобата лития 2 с входом 3, выходом 4, первый 5 и второй 6 управляющие электроды (см. фиг. 5); первый 7 и второй 8 контакты для подключения к первому источнику управляющего напряжения, элемент 9 с электрически управляемым двулучепреломлением с третьим 10 и четвертым 11 управляющими электродами, подключенными соответственно к третьему 12 и четвертому 13 (см. фиг. 4) контактам для подключения к второму источнику управляющего напряжения, первый 14 и второй 15 оптически плотные переходы, прозрачная пластина 16, например, оптически прозрачный слой клея, первый 17 и второй 18 волоконно-оптические кабели.

Первый 17 волоконно-оптический кабель через первый 14 оптически плотный переход соединены с клинообразной частью элемента 9 с электрически управляемым двулучепреломлением, на противоположные грани которого нанесены третий 10 и четвертый 11 управляющие электроды. Выход элемента 9 соединен через прозрачную пластину 16 с входом 3 волноводного канала, на противоположных сторонах которого расположены первый 5 и второй 6 управляющие электроды, выход 4 волноводного канала через второй оптический переход 15 соединен с вторым волоконно-оптическим кабелем 18.

Нумерация и конструктивные связи устройства на фиг. 3 аналогичны нумерации и конструктивным связям устройства фиг. 1.

Отличием является выполнение модулятора на K = 6 волноводных каналах, по конструкции аналогичных первому волноводному каналу.

Устройство работает следующим образом.

Волноводный канал 1, выполненный в пластине из ниобата лития, представляет собой электрооптическую систему, использующую электрооптический эффект, т.е. возникновение оптической анизотропии у прозрачного твердого диэлектрика при помещении его во внешнее электрическое поле. При воздействии однородного электрического поля, прикладываемого между управляющими электродами 5 и 6, диэлектрик поляризуется и приобретает оптические свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает по направлению с вектором E напряженности поля управляющего сигнала.

При этом за счет эффекта полного внутреннего отражения света на выходе волноводного канала получаем световой поток с малым коэффициентом затухания. В основу работы волноводного канала положено каналирование светового пучка в тонких диэлектрических структурах и пленках.

В режиме отсутствия управляющего напряжения на гранях волноводного канала 1 (полосковых волноводов) свет в волноводном канале не распространяется из-за сдвигов по фазе на 90^oC плоскости поляризации в соответствующем волноводном канале и вектора напряженности электрического поля входного оптического сигнала.

На вход элемента с электрическим управляемым двулучепреломлением с выхода первого волоконно-оптического кабеля через первый оптически плотный переход подается световой поток. Разность фаз в элементе с электрически управляемым двулучепреломлением между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе элемента 9
,
где
d - толщина пластины;
λ - длина волны света;
Δn - показатель двулучепреломления.

Так как пластина имеет переменную толщину из-за ее клинообразной формы, то на выходе системы имеет место непрерывный цветовой спектр, так как выражение δ = 2n выполняется только при определенном соотношении между λ и d. В электрооптических материалах, например, в ниобате лития, Δn зависит от напряженности электрического поля при подаче напряжения на управляющие электроды 10, 11. Поэтому при изменении управляющего напряжения на электродах 10, 11 будет изменяться величина δ для каждой из составляющих спектра, а спектральные линии будут смещаться вдоль оси A.

При смещении спектральных линий вдоль оси A на входе, а следовательно, и выходе волноводного канала устройства на фиг. 1 будем иметь изменение соотношения спектрального состава света. Изменяя напряжение между управляющими электродами 5, 6 волноводного канала, изменяем, согласно фиг. 6, интенсивность света на выходе устройства.

В устройстве на фиг. 2 ширина волноводного канала выбирается намного меньше элемента с электрически управляемым двулучепреломлением. При этом ширина на оси A волноводного канала выбирается меньше ширины спектральной линии одного цвета. Поэтому на выходе волноводного канала будем иметь поток света одного спектрального состава. Поэтому при изменении напряжения на электродах 10, 11 и сдвига спектра вдоль оси A на выходе волнового канала будет изменяться спектральный состав так, что при определенных напряжениях на электродах 10, 11 на выходе 4 волноводного канала будут монохроматические световые потоки с различным цветом, а сам электрически управляемый светофильтр будет иметь спектрально чистую полосу пропускания.

Здесь необходимо отметить, что в устройстве не требуются поляризаторы, так как волноводный канал пропускает световой поток только с определенной поляризацией. С другими направлениями поляризации световые потоки через него не пройдут, т.е. он сам выполняет одновременно функции поляризатора.

Устройство на фиг. 3 имеет существенно меньший диапазон напряжений второго источника за счет использования K волноводных каналов, аналогичных волноводному каналу устройства 2. При этом на входе каждого волноводного канала за счет их расположения имеется спектральная линия своего цвета. Изменением управляющего напряжения второго источника возможно точно совместить положение линий спектра с входами соответствующих волноводных каналов. Подавая управляющее напряжение на входы 7.i - 7.K, можем получить на входе соответствующего i, i<K, волноводного канала световой поток с соответствующей длиной волны и с соответствующей интенсивностью. Это позволяет осуществлять смещение световых потоков с выходов нескольких волноводных каналов 4i. При этом, изменяя интенсивность каждого светового потока путем изменения управляющего напряжения между управляющими электродами волноводного канала, возможно изменять спектральный состав суммарного светового потока на выходе устройства.

Использование: оптоэлектроника, оптическая обработка информации. Сущность изобретения: фильтр включает оптически соединенные электрооптический элемент с управляемым двупреломлением клинообразной формы, соединенный с линейкой интегрально-оптических элементов, что позволяет повысить разрешение и осуществлять логические операции с сигналом, кодирующим информацию в спектральной форме. 6 ил.

Электрооптический управляемый светофильтр, содержащий оптически связанные оптический вход, элемент с электрически управляемым двулучепреломлением и оптический выход, отличающийся тем, что элемент с электрически управляемым двулучепреломлением выполнен клинообразной формы и в устройство введена линейка интегрально-оптических модуляторов, оптически связанная с клинообразной частью элемента с электрически управляемым двулучепреломлением, и линейка выходных световодов, оптически связанная с линейкой интегрально-оптических модуляторов.