ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ДЕЛИТЕЛЬ СВЕТОВОГО ПУЧКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G02F1/01 

Изобретения относятся к области интегральной оптики, а именно предлагаемые устройства могут быть использованы в качестве элементов оптической 3-D интегральной схемы для реализации трехмерных оптических связей.

В работе [1] для деления оптического пучка предложен интегрально-оптический делитель, состоящий из тонкопленочного планарного волновода и "наложенных" фазовых решеток, сформированных в объеме этого волновода.

Авторы [2] предлагают разделять распространяющийся в планарном волноводе световой пучок одной дифракционной решеткой с переменным периодом или последовательностью дифракционных решеток, сформированных на волноводе гофрированием его поверхности. Вышеупомянутые интегрально-оптические делители (демультиплексоры) предназначены для пространственного разделения спектрально-уплотненного светового пучка по длинам волн в плоскости волновода.

Для реализации трехмерных оптических связей в интегрально-оптических схемах актуально создание устройства, которое преобразует монохроматический световой пучок, введенный в планарный волновод, в несколько пучков одинаковой интенсивности, выходящих из волновода ортогонально его поверхности. Такой делитель предложен в [3] . Он состоит из планарного волновода, вводной и 16 выводных дифракционных решеток.

Однако это устройство имеет низкую эффективность, что обусловлено в основном природой дифракции на тонкой рельефной решетке. Такая решетка выводит энергию волноводной моды в обе прилегающие к волноводу среды - в воздух и подложку. Поскольку в реальных устройствах требуется однонаправленный вывод излучения, в этом делителе используется лишь около половины выведенной из волновода энергии.

Целью изобретения является повышение эффективности делителя путем обеспечения однонаправленного вывода излучения волноводной моды и расширение его функциональных возможностей реализацией управления интенсивностью выведенных световых пучков.

Указанная цель достигается за счет применения зеркала, установленного против выводных решеток с возможностью изменения оптического пути между ним и поверхностью волновода.

В первом варианте изменение оптического пути обеспечивается изменением величины воздушного зазора между зеркалом и поверхностью волновода с помощью источника механических перемещений зеркала.

Во втором варианте изменение оптического пути достигается регулировкой величины воздушного зазора между линейкой подвижных зеркал и поверхностью волновода с помощью источников механических перемещений, индивидуальных для каждого зеркала в линейке.

В третьем варианте изменение оптического пути получают изменением показателя преломления неподвижной электрооптической среды, помещенной в зазор между неподвижным зеркалом и поверхностью волновода.

Конструктивные особенности предлагаемых делителей показаны с помощью иллюстративного материала:
фиг. 1 - принципиальная схема однонаправленного делителя световых пучков по первому варианту, где используется общее для всех выводных решеток зеркало;
фиг. 2 - принципиальная схема однонаправленного делителя световых пучков по второму варианту, где для каждой выводной решетки используется индивидуальное зеркало;
фиг. 3 - принципиальная схема однонаправленного делителя световых пучков по третьему варианту, где используется неподвижное относительно волновода зеркало, а в зазор между зеркалом и волноводом помещена электрооптическая среда с полупрозрачными электродами.

Новые признаки делителей оптического пучка появляются при установке параллельно плоскости волновода:
зеркала, общего для всех выводных решеток с возможностью изменения величины воздушного зазора между ним и волноводом;
линейки индивидуально управляемых зеркал с возможностью изменения величины воздушного зазора между ними и волноводом;
неподвижного зеркала и электрооптической среды с полупрозрачными электродами между ним и волноводом.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого интегрально-оптического делителя по первому варианту.

Делитель состоит из стеклянной подложки 1, планарного волновода 2, вводной 3 и N выводных дифракционных решеток 4, зеркала 5, источника механических перемещений 6.

Пучок монохроматического света, распространяющийся в свободном пространстве, вводится в планарный волновод 2 вводной решеткой 3 и выводится из волновода N выводными решетками 4. При этом образуется ряд параллельных выходных пучков одинаковой интенсивности. Число выводных решеток N ограничивается возможностями технологии и потерями света в волноводе и может быть больше 16. Период решеток рассчитан таким образом, что ввод и вывод излучения осуществляются в первом порядке дифракции, а входной и выходной световые пучки распространяются ортогонально поверхности волновода. Зеркало 5 отражает световые пучки, дифрагированные выводными решетками 4 в полупространство над волноводом в направлении других световых пучков, дифрагированных этими же решетками через подложку, обеспечивая их интерференцию и однонаправленный вывод излучения из волновода. Изменением величины воздушного зазора между зеркалом и волноводом с помощью источника механических перемещений 6 осуществляется регулировка оптической разности хода интерферирующих пучков и реализуется одновременное управление интенсивностью всех выходных пучков.

Дальнейшее усовершенствование делителя связано с возможностью управления интенсивностью каждого отдельно взятого выведенного светового пучка.

На фиг. 2 приведена схема интегрально-оптического делителя по второму варианту, в которой применена линейка управляемых зеркал так, что каждой выводной решетке соответствует отдельное зеркало и индивидуальный источник механических перемещений.

Делитель состоит из стеклянной подложки 1, планарного волновода 2, вводной 3 и N выводных дифракционных решеток 4, линейки зеркал 5, источников механических перемещений 6.

Пучок монохроматического света, распространяющийся в свободном пространстве, вводится в планарный волновод 2 вводной решеткой 3 и выводится из волновода N выводными решетками 4. Зеркала 5 отражают световые пучки, дифрагированные выводными решетками 4 в полупространство над волноводом в направлении других световых пучков, дифрагированных этими же решетками через подложку. Этим обеспечивается интерференция выведенных световых пучков и однонаправленный вывод излучения из волновода. Изменением величины воздушного зазора между любым зеркалом из линейки индивидуально управляемых зеркал 5 и соответствующей ему выводной решеткой при помощи индивидуальных источников перемещений 6 осуществляется регулировка разности хода интерферирующих пучков и обеспечивается управление интенсивностью любого выведенного светового пучка.

Реализация поэлементного управления резко снижает требования к технологии изготовления дифракционных элементов делителя, поскольку появляется возможность изготовить все дифракционные решетки в одном цикле и выставить интенсивность выведенных пучков по уровню, соответствующему выводной решетке с наименьшей дифракционной эффективностью.

В конструкции делителя по третьему варианту отсутствуют механически перемещаемые элементы устройства и поэлементное управление интенсивностью каждого выходного пучка реализуется при помощи электрооптической среды с полупрозрачными электродами.

На фиг. 3 представлено схематическое изображение предлагаемого интегрально-оптического делителя.

Делитель состоит из стеклянной подложки 1, планарного волновода 2, вводной 3 и N выводных дифракционных решеток 4, зеркала 5, электрооптической среды 6 и отдельных полупрозрачных электродов 7.

Пучок монохроматического света, распространяющийся в свободном пространстве, вводится в планарный волновод 2 вводной решеткой 3 и выводится из волновода N выводными решетками 4. Зеркало 5 отражает световые пучки, дифрагированные выводными решетками через подложку в электрооптическую среду в направлении других световых пучков, дифрагированных этими же решетками в полупространство над волноводом, обеспечивая их интерференцию и однонаправленный вывод излучения из волновода.

Изменением величины электрического напряжения, приложенного к электрооптической среде 6 с помощью отдельных полупрозрачных электродов 7, размещенных под каждой выводной решеткой, осуществляется изменение показателя преломления электрооптической среды и тем самым достигается регулировка оптической разности хода интерферирующих пучков и реализуется управление интенсивностью каждого выходного пучка.

Электрооптической средой служит тонкий слой жидкого кристалла или пластина, например, ниобата лития или другого материала. В качестве полупрозрачных электродов использованы тонкие слои двуокиси олова (SnO₂).

На основе предлагаемых делителей с поэлементным управлением возможно создание матричных управляемых источников световых пучков, применение которых позволит существенно упростить конструкции оптических 3-D интегральных схем (например, оптических коммутаторов или ассоциативной памяти и т. д. ). Кроме того, управляемые матричные делители могут найти применение как устройства отображения информации, альтернативные жидкокристаллическим дисплеям.

Литература
1. Быковский Ю. А. , Мочалкина О. П. , Смирнов В. Л. , Шмалько А. В. "Интегрально-оптический демультипликатор с матрицей волноводных фотоприемников". Письма в ЖТФ, т. 4, вып. 9, с. 543, 1978.

2. Livanos A. C. , Katzir A. , Yariv A. , Hong С. S. "Chirped-grating demultiplexers in dielectric waveguides". Appl. Phys. Lett. , V. 30, 10, p. 519, 1977.

3. Каменев Н. Н. , Наливайко В. И. "Дифракционные демультиплексоры для трехмерных интегрально-оптических схем". Ж. "Автометрия", N. 3, с. 114, 1993.

Интегрально-оптический делитель светового пучка относится к интегральной оптике и может быть одним из элементов оптической 3-D интегральной схемы с трехмерными оптическими связями. В устройстве параллельно одной из сторон волновода установлено подвижное относительно плоскости волновода зеркало, связанное с источником механических перемещений. Устройство содержит ряд дифракционных решеток. Для каждой решетки расположены отдельные зеркала со своими источниками механических перемещений. Между выводными решетками и общим зеркалом помещена электрооптическая среда с полупрозрачными электродами. Устройство позволяет повысить эффективность делителя пучков и расширить его функциональные возможности. 3 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Интегрально-оптический делитель монохроматического светового пучка, состоящий из планарного оптического волновода, на поверхности которого расположены в ряд вводная и N выводных дифракционных решеток, отличающийся тем, что параллельно одной из сторон волновода против выводных решеток установлено зеркало с возможностью изменения величины воздушного зазора между зеркалом и волноводом с помощью источника механических перемещений. 2. Интегрально-оптический делитель монохроматического светового пучка, состоящий из планарного оптического волновода, на поверхности которого расположены в ряд вводная и N выводных дифракционных решеток, отличающийся тем, что параллельно поверхности волновода против каждой выводной решетки установлено отдельное зеркало с индивидуальным источником механических перемещений. 3. Интегрально-оптический делитель монохроматического светового пучка, состоящий из планарного оптического волновода, на поверхности которого расположены в ряд вводная и N выводных дифракционных решеток, отличающийся тем, что параллельно одной из сторон волновода против выводных решеток установлено неподвижное относительно плоскости волновода зеркало, а между выводными решетками и зеркалом помещена электрооптическая среда с полупрозрачными электродами.