ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ НЕВЗАИМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК G02B6/12 

Изобретение относится к интегральной оптике, а именно к устройствам, которые осуществляют функцию пропускания оптического излучения в одном направлении, но при этом не пропускают оптический сигнал, идущий через устройство в обратном направлении, и может быть использовано при соединении источников оптического излучения с интегрально-оптическими схемами и волоконно-оптическими линиями связи, а также при соприкосновении двух (или более) интегрально-оптических чипов с помощью волоконных световодов.

Известно устройство, осуществляющее передачу оптического сигнала в прямом направлении и почти не пропускающее оптический сигнал, идущий в обратном направлении, называемое оптическим изолятором (Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др. Основы оптоэлектроники. М.: Мир, 1988, с. 135 - 137). Это устройство содержит поляризатор и анализатор, оптические оси которых скрещены под углом 45^o. Между поляризатором и анализатором размещена ячейка Фарадея из магнитооптического материала.

Недостатком этого устройства являются большие габариты и вес, зависимость пропускания оптического излучения от его поляризации, трудности согласования данного устройства с интегрально-оптическими и волоконно-оптическими схемами, так как это устройство является объемным.

Наиболее близким к заявляемому является невзаимное устройство (патент США N 5463705, кл. G 02 B 6/12, 31.05.95, 10 стр.), в котором вышеперечисленные недостатки частично устранены. Устройство содержит оптический вход, оптический выход, оптический поглотитель, полностью поглощающий падающую на него световую волну, оптический волноводный ответвитель с волноводным стволом, расщепленным на первом конце на два волноводных плеча. Плечи расположены таким образом, чтобы второй конец волноводного ствола являлся оптическим выходом, а первое из плеч заканчивалось оптическим входом. Поглотитель выполнен либо за одно целое со вторым волноводным плечом, либо присоединен к нему. Первое волноводное плечо отходит от волноводного ствола под углом θ. При этом большая часть энергии световой волны, распространяющейся по стволу от выхода, подается во второе волноводное плечо и направляется на оптический поглотитель.

Недостатком данного невзаимного устройства является ограничение величины коэффициента оптической развязки в силу того факта, что уровень оптической развязки строго зависит от величины угла θ ответвления первого волноводного плеча от волноводного ствола. Очевидно, что при увеличении угла θ коэффициент оптической развязки будет увеличиваться, но при этом будут увеличиваться также оптические потери световой волны, идущей в прямом направлении через данное взаимное устройство. Таким образом, этот невзаимный элемент в силу своей топологии имеет строгое ограничение уровня оптической развязки между прямым и обратным оптическими сигналами.

Целью настоящего изобретения является увеличение уровня оптической развязки (коэффициента невзаимности) между прямым и обратным оптическими сигналами.

Поставленная цель достигается тем, что интегрально-оптический невзаимный элемент содержит оптический вход, оптический выход и выполненные на подложке поглотитель и линию передачи, включающую первый оптический канальный волновод, вход которого является оптическим входом, линия передачи дополнительно включает N-1 последовательно расположенных оптических канальных волноводов и N-2 поглотителей, при этом волноводы соосны и разделены поглотителями, выполненными в виде области стыковки оптических канальных волноводов, эффективный показатель преломления (N_эфф.) каждого оптического канального волновода монотонно уменьшается от его входа к его выходу, начальные и конечные значения эффективных показателей преломления всех оптических канальных волноводов одинаковы соответственно, оптическим выходом невзаимного элемента является выход N-ого оптического канального волновода.

Невзаимный элемент может быть выполнен с оптическими канальными волноводами, площадь поперечного сечения которых монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, причем начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно.

Интегрально-оптический невзаимный элемент может быть выполнен так, что линия передачи дополнительно включает N-1 последовательно расположенных оптических канальных волноводов, N-2 поглотителей, при этом волноводы соосны и разделены поглотителями, выполненными в виде области стыковки оптических канальных волноводов, площадь поперечного сечения которых монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно, эффективный показатель преломления (N_эфф.) для каждого оптического канального волновода является величиной постоянной, оптическим выходом невзаимного элемента является выход N-го оптического канального волновода.

Заявляемое устройство по первому варианту отличается от прототипа тем, что линия передачи дополнительно включает N-1 последовательно расположенных оптических канальных волноводов и N-2 поглотителей, при этом волноводы соосны и разделены поглотителями, выполненными в виде области стыковки оптических канальных волноводов, эффективный показатель преломления (N_эфф.) каждого оптического канального волновода монотонно уменьшается от его входа к его выходу, начальные и конечные значения эффективных показателей преломления всех оптических канальных волноводов одинаковы соответственно, оптическим выходом невзаимного элемента является выход N-го оптического канального волновода, что определяет невзаимное прохождение оптического излучения в прямом и обратном направлениях через оптическое излучение, выходящее из оптического канального волновода в следующий оптический канальный волновод, имеет эффективный радиус волноводной моды меньший, чем эффективный радиус следующего оптического канального волновода. Этим обеспечивается практически 100%-ное прохождение оптического излучения через невзаимный элемент. При прохождении оптического излучения в обратном направлении эффективный радиус волноводной моды больше эффективного радиуса оптического канального волновода, принимающего это оптическое излучение, что приводит к потерям оптического излучения на каждой из N-1 областях стыковки оптических канальных волноводов невзаимного элемента.

В зависимости от решаемой технической задачи невзаимный элемент имеет оптические канальные волноводы, площадь поперечного сечения которых монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, причем начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно.

Заявляемое устройство по второму варианту отличается от прототипа тем, что линия передачи дополнительно включает N-1 последовательно расположенных оптических канальных волноводов, N-2 поглотителей, при этом волноводы соосны и разделены поглотителями, выполненными в виде области стыковки оптических канальных волноводов, площадь поперечного сечения которых монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно, эффективный показатель преломления (N_эфф.) для каждого оптического канального волновода является величиной постоянной, оптическим выходом невзаимного элемента является выход N-го оптического канального волновода.

Различные исполнения невзаимного элемента позволяют в широком диапазоне проводить оптимизацию заявляемого устройства по различным физико-технологическим параметрам, таким как масса и габариты, уровень экстинкции обратного оптического сигнала, оптические вносимые потери, коэффициент невзаимности.

Интегрально-оптический невзаимный элемент изготавливается интегрально на единой оптической подложке, что определяет высокую технологичность изготовления и его малые масса и габариты, отсутствие разнотипных деталей в его конструкции определяет его простоту и высокую надежность, кроме того, топология оптических канальных волноводов обуславливает как малые вносимые оптические потери проходящего через невзаимный элемент оптического излучения в прямом направлении, так и возможность создавать невзаимные элементы с высоким уровнем оптической развязки (коэффициентом невзаимности). Заявляемый интегрально-оптический невзаимный элемент может создавать в любых оптических подложках, которые применяются в интегральной оптике для создания волноводных схем (например, ниобат лития, тантал лития, оптическое стекло K-8, полупроводниковые структуры и другие), что дает возможность интегрировать невзаимный элемент с другими интегрально-оптическими схемами на единой оптической подложке и существенно расширяет область применения заявляемого устройства.

На фиг. 1 изображена схема интегрально-оптического невзаимного элемента с неизменной площадью поперечного сечения оптических канальных волноводов.

На фиг. 2 изображена схема интегрально-оптического невзаимного элемента с изменяющейся площадью поперечного сечения оптических канальных волноводов.

Интегрально-оптический невзаимный элемент содержит оптическую подложку 1, оптические канальные волноводы 2, области стыковки 3, оптический вход 4, оптический выход 5.

В качестве оптической подложки 1 можно использовать хорошо полированную пластину оптического стекла типа K-8 (применяют и другие стекла, например, БК, ЛФ, К и др.), в которой методом термодиффузии окиси свинца (PbO) сформированы оптические канальные волноводы 2 (в качестве металлов, окислы которых повышают показатель преломления поверхностного слоя стекол, создавая таким образом волноводные структуры, на практике используют Pb, Ba, Cd, Zn, Ti, Ag и др. ). Изменение показателя преломления оптических канальных волноводов, сформированных твердотельной диффузией, пропорционально концентрации диффузанта, т.е. в общем случае эффективный показатель преломления (N_эфф.) оптических канальных волноводов пропорционален концентрации примеси C(x, t). Варьируя количество диффузанта, можно создавать оптические канальные волноводы с изменяющимся эффективным показателем преломления в оптических подложках. Ширина оптических канальных волноводов определяется из условия одномодовости для фиксированной длины λ_o волны оптического излучения и определенного значения эффективного показателя преломления. Ширина волновода для λ_o = 630 нм и N_эфф. = 1,6 при значении показателя преломления оптической подложки 1,50 равна 4 мкм. Длина каждого из N оптических канальных волноводов равна 200 мкм. Оптический вход 4 и оптический выход 5 невзаимного элемента представляют собой отполированные торцы первого и последнего оптических канальных волноводов.

Рассмотрим работу интегрально-оптического невзаимного элемента. Для простоты рассмотрим случай симметричных оптических канальных волноводов, т. е. оптические канальные волноводы 2 имеют круглое поперечное сечение и полностью "утопленные" в изотропной однородной оптической подложке 1, а эффективный показатель преломления (N_эфф.) каждого оптического канального волновода монотонно уменьшается от его входа к его выходу, начальные и конечные значения эффективных показателей преломления всех оптических канальных волноводов одинаковы соответственно (фиг. 1).

Подадим на оптический вход 4 оптическое излучение интенсивностью I_o, оно, пройдя через N оптических канальных волноводов 2, выйдет через оптический выход 5. Чтобы оценить потери оптического излучения, прошедшего через одиночную область стыковки 3 оптических канальных волноводов 2, определим нормированные радиусы волноводных мод на выходе передающего и на входе принимающего оптических канальных волноводов. Нормированный радиус волноводной моды на выходе определяется выражением (Интегральная оптика. Под ред. Т. Тамира.- М.: Мир, 1978.- С. 41-43)
R₁= k•a•(N21

-n²)^1/2. (1)
Нормированный радиус принимающего оптического канального волновода определяется выражением
R₂= k•a•(N22-n²)^1/2, (2)
где
N₁ - эффективный показатель преломления волноводной моды на выходе одиночного оптического канального волновода;
N₂ - эффективный показатель преломления волноводной моды оптического канального волновода, принимающего оптическое излучение;
k = 2•π/λ - волновое число;
λ_o - длина волны оптического излучения;
n - показатель преломления оптической подложки;
a - радиус поперечного сечения оптических канальных волноводов.

Очевидно, что в уравнении (1) значение (N21

-n²)^1/2 равно числовой апертуре NA₁ выхода передающего оптического канального волновода, а в уравнении (2) значение (N22-n²) равно числовой апертуре NA₂ входа, принимающего оптического канального волновода. При N₁ < N₂ числовая апертура NA₁ < NA₂ и как следствие R₁ < R₂, а это означает, что передача энергии оптического излучения из передающего оптического канального волновода в принимающий (без учета потерь на отражение) происходит практически без потерь.

Рассмотрим случай обратного прохождения оптического излучения через невзаимный элемент. Подадим оптическое излучение на оптический выход 5 устройства, оно пройдет по N оптическим канальным волноводам 2 и часть его выйдет через оптический вход 4 невзаимного элемента. Потери оптического излучения (без учета потерь на отражение) при прохождении его через одиночную область стыковки 2 оптических канальных волноводов можно оценить по формуле (Козанне А., Флере Ж., Мэтр Г., Руссо М. Оптика и связь.- М.: Мир, 1984.- С. 253-254.)
T = {1-(2•R₂•R₁/(R22

+R21))²}. (3)
Полные потери (без учета потерь на отражения) при прохождении оптического излучения через невзаимный элемент от его выхода 5 к его входу 4 определяются выражением
T_N = 1 - (1 - T)^N-1, (4)
где
N - количество одиночных оптических канальных волноводов.

Расчеты показывают, что невзаимный элемент, изготовленный на основе оптической подложки 1 с показателем преломления n=1.50, содержащий 150 оптических канальных волноводов 2 (т.е. N=150) с начальным значением эффективного показателя преломления N₂=1.63, конечным значением эффективного показателя преломления N₁=1.60 для каждого из 150 оптических канальных волноводов 2, имеет коэффициент невзаимности K=11.95 дБ, который определяется по формуле:
K = 10•lg((1 - T_N/I_o). (5)
Данные расчеты приведены для длины волны оптического излучения, равной λ_o = 630нм, при радиусе поперечного сечения оптических канальных волноводов 2, равном a=2.0 мкм, для случая одномодового режима функционирования оптических канальных волноводов. В этом случае длина невзаимного элемента (длина одиночного оптического канального волновода l=200 мкм) равна L=30 мм.

Рассмотрим работу интегрально-оптического невзаимного элемента по п.2 формулы изобретения. Для простоты рассмотрим случай симметричных оптических канальных волноводов 2, т.е. оптические канальные волноводы имеют круглое поперечное сечение и полностью "утопленные" в изотропной однородной оптической подложке 1, а эффективный показатель преломления (N_эфф.) каждого оптического канального волновода монотонно уменьшается от его входа к его выходу, начальные и конечные значения эффективных показателей преломления всех оптических канальных волноводов 2 одинаковы соответственно, кроме того, оптические канальные волноводы 2 имеют различную площадь поперечного сечения, которая монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, причем начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов 2 одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно (фиг. 2).

Подадим на оптический выход 4 оптическое излучение интенсивностью I_o, оно, пройдя через N оптических канальных волноводов 2, выйдет через оптический выход 5. Чтобы оценить потери оптического излучения, прошедшего через одиночную область стыковки 3 оптических канальных волновод, определим нормированные радиусы волноводных мод на выходе передающего и на входе принимающего оптических канальных волноводов. Нормированный радиус волноводной моды на выходе определяется выражением
R₁₁= k•a₁(N21

-n²)^1/2. (6)
Нормированный радиус принимающего оптического канального волновода определяется выражением
R₂₁= k•a₂[N22-n²]^1/2, (7)
где
a₁ - радиус поперечного сечения одиночного оптического канального волновода на его выходе;
a₂ - радиус поперечного сечения одиночного оптического канального волновода на его входе.

При a₁ < a₂ и N₁ < N₂ числовая апертура NA₁ < NA₂ и как следствие R₁₁ < R₂₁ это означает, что передача энергии оптического излучения из передающего оптического канального волновода в принимающий (без учета потерь на отражение) происходит практически без потерь.

Рассмотрим случай обратного прохождения оптического излучения через невзаимный элемент (фиг. 2). Подадим оптическое излучение на оптический выход 5 устройства, оно пройдет по N оптическим канальным волноводам 2 и часть его выйдет через оптический вход 4 невзаимного элемента. Потери оптического излучения (без учета потерь на отражение) при прохождении его через одиночную область стыковки 3 оптических канальных волноводов можно оценить по формуле
T₁= {1-[2•R₂₁•R₁₁/(R221

+R211)]²}. (8)
Полные потери (без учета потерь на отражения) при прохождении оптического излучения через невзаимный элемент от его выхода 5 к его входу 4 определяются выражением

где
N - количество одиночных оптических канальных волноводов.

Расчеты показывают, что невзаимный элемент, изготовленный на основе оптической подложки 1 с показателем преломления n=1.50, содержащий 50 оптических канальных волноводов 2 (т.е. N=50) с начальным значением эффективного показателя преломления N₂=1.63, конечным значением эффективного показателя преломления N₁= 1.60 для каждого из 50 оптических канальных волноводов 2, имеет коэффициент невзаимности K=39.25 дБ, который определяется по формуле
(10)
Данные расчеты приведены для длины волны оптического излучения, равной λ_o = 630нм, при радиусах поперечного сечения оптических канальных волноводов 2, равных a₁= 2.0 мкм, a₂=2.7 мкм, для случая одномодового режима функционирования оптических канальных волноводов 2. В этом случае длина невзаимного элемента (длина одиночного оптического канального волновода l=200 мкм) равна L=10 мм.

Рассмотрим работу интегрально-оптического невзаимного элемента по второму варианту. Для простоты рассмотрим случай симметричных оптических канальных волноводов 2, т.е. оптические канальные волноводы имеют круглое поперечное сечение и полностью "утопленные" в изотропной однородной оптической подложке 1, оптические канальные волноводы имеют различную площадь поперечного сечения, которая монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, причем начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов 2 соответственно, а эффективный показатель преломления (N_эфф.) для всех волноводов является величиной постоянной (фиг. 2).

Подадим на оптический вход 4 оптическое излучение интенсивностью I_o, оно, пройдя через N оптических канальных волноводов 2, выйдет через оптический выход 5. Чтобы оценить потери оптического излучения, прошедшего через одиночную область стыковки оптических канальных волноводов 2, определим нормированные радиусы волноводных мод на выходе передающего и на входе принимающего оптических канальных волноводов 2. Нормированный радиус волноводной моды на выходе определяется выражением
R₁₂= k•a₁•[N21

-n²]^1/2. (11)
Нормированный радиус принимающего оптического канального волновода определяется выражением
R₂₂= k•a₂•[N22-n²]^1/2, (12)
где
a₁ - радиус поперечного сечения одиночного оптического канального волновода на его выходе;
a₂ - радиус поперечного сечения одиночного оптического канального волновода на его входе.

При N₁= N₂ числовая апертура NA₁=NA₂, но так как a₁ < a₂, то R₁₂ < R₂₂, это означает, что передача энергии оптического излучения из передающего оптического канального волновода в принимающий (без учета потерь на отражение) происходит практически без потерь.

Рассмотрим случай обратного прохождения оптического излучения через невзаимный элемент (фиг. 2). Подадим оптическое излучение на оптический выход 5 устройства, оно пройдет по N оптическим канальным волноводам 2 и часть его выйдет через оптический вход 4 невзаимного элемента. Потери оптического излучения (без учета потерь на отражение) при прохождении его через одиночную область стыковки 3 оптических канальных волноводов можно оценить по формуле
T₂= {1-[2•R₂₂•R₁₂/(R222

+R212)]²}. (13)
Полные потери (без учета потерь на отражения) при прохождении оптического излучения через невзаимный элемент от его выхода 5 к его входу 4 определяются выражением
(14)
где
N - количество одиночных оптических канальных волноводов.

Расчеты показывают, что невзаимный элемент, изготовленный на основе оптической подложки с показателем преломления n=1.50, содержащий 50 оптических канальных волноводов 2 (т.е. N=50) с равными значениями эффективных показателей преломления, т. е. N₁=N₂=1.60 каждого из 50 оптических канальных волноводов 2, имеет коэффициент невзаимности K=18.88 дБ, который определяется по формуле

Данные расчеты приведены для длины волны оптического излучения, равной λ_o = 630нм, при радиусах поперечного сечения оптических канальных волноводов 2, равных a₁= 2.0 мкм, a₂=2.7 мкм, для случая одномодового режима функционирования оптических канальных волноводов 2. В этом случае длина невзаимного элемента (длина одиночного оптического канального волновода l=200 мкм) равна L=10 мм.

Приведенные исполнения невзаимного элемента и описание динамики их функционирования справедливы также и для невзаимных элементов, изготовленных на других оптических подложках, таких как ниобат лития, танталат лития, полупроводниковых структурах и других, в которых можно формировать оптические канальные волноводы. Естественно, что конкретные значения оптических параметров этих невзаимных элементов необходимо рассчитывать, учитывая оптические характеристики оптической подложки 1, длины волны оптического излучения, оптических канальных волноводов 2 в каждом конкретном случае.

Необходимо отметить, что предлагаемый интегрально-оптический невзаимный элемент функционирует как для оптических волноводных мод TE-поляризации, так и оптических волноводных мод TM-поляризации, что расширяет его область применения.

Кроме того, предлагаемый невзаимный элемент можно мультиплицировать на единой оптической подложке (т.е. изготавливать на одной оптической подложке несколько независимых интегрально-оптических невзаимных элементов), так, например, на оптической подложке размерами 10•10•1 мм можно создать 890 невзаимных элементов, каждый из которых легко состыковать с 80 источниками оптического излучения (например, линейкой полупроводниковых оптических квантовых генераторов) и 80 оптическими волоконными световодами.

Изобретение относится к интегральной оптике, а именно к устройствам, которые осуществляют функцию пропускания оптического излучения в одном направлении. Интегрально-оптический невзаимный элемент используется при соединении источников оптического излучения с интегрально-оптическими схемами и волоконно-оптическими линиями связи, а также при сопряжении двух (или более) интегрально-оптических чипов с помощью волоконных световодов. Невзаимный элемент содержит оптическую подложку, на которой линия передачи выполнена в виде N последовательно расположенных оптических канальных волноводов, соосных между собой и разделенных N-1 поглотителями, в качестве которых использованы N-1 областей стыковки оптических канальных волноводов. Эффективный показатель преломления (n_эфф ) каждого оптического канального волновода монотонно уменьшается от его входа к его выходу. Начальные и конечные значения эффективных показателей преломления всех оптических канальных волноводов одинаковые соответственно. Оптическим входом невзаимного элемента является вход первого оптического канального волновода, оптическим выходом - вход N-го оптического канального волновода. Оптические канальные волноводы могут быть выполнены с монотонно убывающей площадью поперечного сечения от входа оптического канального волновода к его выходу, причем начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из оптических канальных волноводов соответственно. Оптические канальные волноводы могут быть выполнены с площадью поперечного сечения, монотонно убывающей от его входа к его выходу, и постоянным эффективным показателем преломления. Упрощена конструкция, повышена надежность. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Интегрально-оптический невзаимный элемент, содержащий оптический вход, оптический выход и выполненные на подложке поглотитель и линию передачи, включающую первый оптический канальный волновод, вход которого является оптическим входом, отличающийся тем, что линия передачи дополнительно включает N-1 последовательно расположенных оптических канальных волноводов и N-2 поглотителей, при этом волноводы соосны и разделены поглотителями, выполненными в виде области стыковки оптических канальных волноводов, эффективный показатель преломления каждого оптического канального волновода монотонно уменьшается от его входа и его выходу, начальные и конечные значения эффективных показателей преломления всех оптических канальных волноводов одинаковы соответственно, оптическим выходом невзаимного элемента является выход N-го оптического канального волновода. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения оптических канальных волноводов монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, причем начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно. 3. Интегрально-оптический невзаимный элемент, содержащий оптический вход, оптический выход и выполненные на подложке поглотитель и линию передачи, включающую первый оптический канальный волновод, вход которого является оптическим входом, отличающийся тем, что линия передачи дополнительно включает N-1 последовательно расположенных оптических канальных волноводов, N-2 поглотителей, при этом волноводы соосны и разделены поглотителями, выполненными в виде области стыковки оптических канальных волноводов, площадь поперечного сечения которых монотонно убывает от входа оптического канального волновода к его выходу, начальные и конечные значения площадей поперечных сечений оптических канальных волноводов одинаковы для каждого из N оптических канальных волноводов соответственно, эффективный показатель преломления для каждого оптического канального волновода является величиной постоянной, оптическим выходом невзаимного элемента является выход N-го оптического канального волновода.