СПОСОБ ПОДСТРОЙКИ КОЭФФИЦИЕНТА ДЕЛЕНИЯ ВОЛНОВОДНОГО РАЗВЕТВИТЕЛЯ НА ПОДЛОЖКЕ НИОБАТА ЛИТИЯ Российский патент 2018 года по МПК G02F1/295 

Изобретение относится к области интегральной оптики, а точнее, к способам повышения характеристик интегрально-оптических разветвителей оптической мощности.

Разветвители оптической мощности являются ключевыми элементами интегрально-оптических интерференционных схем, широко использующихся в системах телекоммуникации и обработки сигналов оптических датчиков. Простейшие варианты разветвителей 1X2 и 2X2 имеют один входной волновод и два выходных волновода или два входных и два выходных волновода соответственно. По физическому принципу действия оптические волноводные разветвители разделяют на разветвители волнового фронта (типичным представителем является Y-разветвитель) и разветвители амплитуды (например, направленный Х-разветвитель). Основной характеристикой волноводного разветвителя является коэффициент деления или соотношение мощности оптического излучения в выходных волноводах. Точность получения строго заданной величины коэффициента деления является важным условием правильного функционирования интерференционных схем и получения высокой четкости интерференционных картин. Современные требования к интегрально-оптическим интерференционным схемам могут быть выполнены при соблюдении точности коэффициента деления на уровне 1% или лучше. Например, в интегрально-оптическом модуляторе типа Маха-Цендера отклонение коэффициента деления одного из входящих в его состав волноводного разветвителя на 5% приводит к снижению коэффициента экстинкции до уровня 30 дБ, в то время как во многих практических применениях необходимо иметь коэффициент экстинкции более 50 дБ. Обеспечить точность коэффициента деления на уровне 1% весьма сложно, поскольку данный параметр сильно зависит от неизбежных вариаций технологических параметров изготовления оптических волноводов, что приводит к значительному снижению выхода годных устройств.

Известен способ регулировки разности фаз для оптического волноводного элемента (см. заявка № JP 2006215159, МПК G02B 06/12, опубл. 17.08.2006), который заключается в том, что на поверхности волновода размещают капли прозрачной оптической смолы с показателем преломления ниже, чем у материала волноводов, тем самым понижают эффективный показатель преломления выбранного участка разветвителя и, таким образом, проводят подстройку коэффициента деления волоконного разветвителя.

Известный способ вносит дополнительные оптические потери, а также не позволяет произвести точную подстройку коэффициента деления волоконного разветвителя.

Известен способ подстройки коэффициента деления направленного разветвителя (см. заявка № JP 11281838, G02B 06/122, G02B 06/13, G02F 01/035, опубл. 27.03.1998), который заключается в том, что на поверхности разветвителя между его выходами с помощью мощного фокусированного лазерного излучения формируют паз и, тем самым, уменьшают перекачку излучения между волноводами разветвителя и уменьшают его коэффициент деления.

Известный способ вносит дополнительные оптические потери, сложен в реализации и позволяет производить подстройку коэффициента деления только в одну сторону.

Известен способ повышения характеристик оптического волноводного разветвителя (см. заявка № US 20030118271, G02B-006/125, G02B-006/134/7, опубл. 26.06.2003), который заключается в том, что показатель преломления в определенной области разветвителя изменяют путем внедрения ускоренных ионов в сердцевины волноводов либо в оболочку вокруг сердцевины, что приводит к перераспределению поля в делителе и позволяет подстроить коэффициент деления, при совпадении мощностей на выходах разветвителя воздействие прекращают.

Известный способ не позволяет точно подстроить коэффициент деления, сложен в реализации и вносит дополнительные оптические потери и искажения сигнала.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков к настоящему техническому решению является способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития (см. патент JP 2000304954, МПК G02B-006/122, G02B-006/13, опубл. 02.11.2000), включающий подачу на входной волновод разветвителя рабочего оптического излучения, выбор для подстройки выходного волновода, при освещении которого корректирующим оптическим излучением наблюдают изменение величин сигналов рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов, затем освещают участок выбранного для подстройки выходного волновода мощным корректирующим оптическим импульсным излучением ультрафиолетового диапазона длин волн в течение времени, достаточного для достижения заданной величины коэффициента деления. При этом достижение заданной величины коэффициента деления определяют по достижению равенства интенсивности выходного излучения выходных волноводов волноводного разветвителя, измеряемого фотоприемниками.

Известный способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития технологически более сложен и обладает низкой точностью, так как требует точного совпадения спектральных и шумовых характеристик фотоприемных модулей для сравнения результатов измерения интенсивности излучения каждого выходного волновода, равных оптических потерь на этапе переноса оптического излучения с выходных волноводов разветвителя на фотоприемные модули, а также вносит дополнительную погрешность при сравнении показаний фотоприемных модулей электронными методами.

Задачей настоящего технического решения являлась разработка способа подстройки волноводного разветвителя на подложке ниобата лития, обеспечивающего более точную подстройку коэффициента деления волноводного разветвителя.

Поставленная задача решается тем, что способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития включает подачу на входной волновод разветвителя рабочего оптического излучения, выбор для подстройки выходного волновода, при освещении которого корректирующим импульсным лазерным излучением наблюдают изменение величин сигналов рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов, последующее освещение участка выбранного для подстройки выходного волновода корректирующим импульсным лазерным излучением в течение времени, достаточного для достижения заданной величины коэффициента деления. Новым в способе является то, что участок выбранного для подстройки выходного волновода освещают корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе не менее 10¹³ Вт/см², а достижение заданной величины коэффициента деления определяют по достижении максимальной контрастности интерференционной картины от двух лучей рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов волноводного разветвителя.

Участок выбранного для подстройки выходного волновода можно освещать сфокусированным корректирующим импульсным лазерным излучением с длиной волны 0,2-0,8 мкм.

Участок выбранного для подстройки выходного волновода освещают корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе (10¹³-10¹⁵) Вт/см².

Настоящий способ поясняется чертежом, где схематически изображено устройство для подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития. Устройство включает подстраиваемый волноводный разветвитель 1 на подложке 2 из ниобата лития с входным волноводом 3 и выходными волноводами 4, 5, источник 6 рабочего оптического излучения, источник 7 корректирующего импульсного лазерного излучения, оптическое волокно 8, интерферометр 9 Маха-Цендера, в состав которого входят фазовый модулятор 10, эталонный разветвитель 11 с известной величиной коэффициента деления k₀ и фотоприемник 12; двухкоординатная подвижка 13, оптический микроскоп 14.

Для мониторинга и контроля процесса подстройки коэффициента деления k подстраиваемый волноводный разветвитель 1 включают в состав оптической схемы интерферометра 9 Маха-Цендера. Интерферометр 9 может быть сформирован в виде волноводной схемы прямо на подложке 2 ниобата лития либо могут использоваться внешние волоконно-оптические компоненты. Рабочее оптическое излучение от источника 6 с двух выходных волноводами 4, 5 настраиваемого волноводного разветвителя 1 подают на выходы второго волноводного разветвителя 11, входящего в состав интерферометра 9 Маха-Цендера. Разветвитель 9 является эталонным с известной величиной коэффициента деления k₀. Рабочее оптическое излучение от источника 6 подают на входной волновод 3 волноводного разветвителя 1. Обычно используют когерентное излучение источника 6 (полупроводникового лазера) с распределенной обратной связью в характерном для ниобата лития телекоммуникационном диапазоне длин волн (1300-1600 нм). В состав интерферометра 9 также входит фазовый модулятор 10, обеспечивающий модуляцию разности фаз между плечами интерферометра 9 с амплитудой 2π, которая в интерферометре 9 Маха-Цендера преобразуется в модуляцию интенсивности и на выходе регистрируется фотоприемником 12. В качестве фазового модулятора 10 может использоваться электрооптический модулятор либо волоконный модулятор на пьезокерамике. Контрастность интерференциальной картины от двух лучей рабочего оптического излучения определяется как:

,

где А_max и A_min - максимальное и минимальное значения амплитуды сигнала на выходе интерферометра 9. Контрастность интерференционной картины зависит от того, насколько коэффициент деления настраиваемого делителя (k) отличается от коэффициента деления эталонного делителя (k₀).

.

Таким образом, отслеживая изменения контрастности интерференционной картины переменного сигнала в ходе экспонирования и подстройки, можно судить о степени, насколько подстраиваемый коэффициент деления отличается от эталонного.

.

Настоящий способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития осуществляют следующим образом.

Вначале на входной волновод 3 подстраиваемого выходного волновода 4 подают рабочее оптическое излучение от источника 6 и выбирают для подстройки один из выходных волноводов 4, 5, при освещении которого корректирующим импульсным лазерным излучением из источника 7 наблюдают изменение величин сигналов рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов 4, 5. Для этого освещают, например, участок выходного волновода 4 сфокусированным корректирующим импульсным лазерным излучением из источника 7 с диаметром пятна D засветки от 5 до 20 мкм, соизмеримым с поперечным размером выходного волновода 4. Источник излучения 7 работает в импульсном режиме, в том числе с фемтосекундными оптическими импульсами. Средняя мощность оптического излучения составляет 1-100 мВт, что обеспечивает настройку коэффициента деления за время экспозиции порядка 1-10 мин, относительно короткое, чтобы обеспечить стабильность оптической системы, и достаточно длинное, чтобы реализовать управление процессом точной настройки коэффициента деления. Для формирования пятна засветки удобно использовать оптическое волокно 8, подведенное торцом непосредственно к месту засветки. Другие фокусирующие системы, например фокусирующий объектив, также могут быть использованы. Использование диапазона спектра 0,2-0,8 мкм обеспечивает хорошую фоторефрактивную чувствительность, кроме того, такое излучение удобно использовать для настройки фокуса и точного позиционирования сфокусированного пятна, которое осуществляют путем перемещения подложки 2 на двухкоординатной подвижке 13. Текущее расположение пятна и точность позиционирования контролируют, например, при помощи оптического микроскопа 14. Если при освещении участка выходного волновода 4 контрастность интерференционной картины растет, то выбирают выходной волновод 4 для подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя 1. Если в начальный момент засветки выходного волновода 4 контрастность интерференционной картины падает, прекращаем засветку выходного волновода 4 и перемещаем пятно на второй выходной волновод 5. Затем начинают саму подстройку коэффициента деления волноводного разветвителя 1, для чего освещают участок выбранного для подстройки выходного волновода (4 или 5) корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе не менее 10¹³ Вт/см² из источника 7 в течение времени, достаточного для достижения заданной величины коэффициента деления, которую определяют по достижении максимальной контрастности интерференционной картины от двух лучей рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов 4, 5 волноводного разветвителя 1.

Настоящий способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития был экспериментально апробирован, для чего была проведена оптическая подстройка волноводного Y-разветвителя, входящего в состав электрооптического модулятора на основе интерферометра Маха-Цендера. Во входной волновод разветвителя при помощи оптоволокна было введено рабочее оптическое излучение с длиной волны 1550 нм и мощностью 1 дБм. На поверхность модулятора в области одного из выходных волноводов разветвителя под прямым углом было сфокусировано импульсное лазерное излучение от фемтосекундного Ti:Sapphire лазера с длиной волны излучения 800 нм и плотностью энергии в пятне порядка 10¹³ Вт/см². Площадь пятна засветки составляла примерно 1 мкм², позиционирование пятна осуществляли при помощи прецизионной микроподвижки с пневмоприводом. Длительность засветки составляла 1 мин. В качестве эталонного разветвителя, необходимого для сложения сигналов с выходных волноводов подстраиваемого разветвителя, был использован выходной разветвитель модулятора Маха-Цендера, измерение фазы выходного сигнала осуществляли при помощи электродов модулятора. По результатам засветки было получено увеличение контрастности интерференционной картины на выходе модулятора с 30 до 48 дБ, что соответствует выравниванию коэффициента деления подстраиваемого разветвителя с точностью 0,003.

Изобретение относится к области интегральной оптики. Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития заключается в том, что подают на входной волновод разветвителя рабочее оптическое излучение, выбирают для подстройки один из выходных волноводов, затем участок выбранного для подстройки выходного волновода освещают корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе не менее 10¹³ Вт/см², а достижение заданной величины коэффициента деления определяют по достижению максимальной контрастности интерференционной картины от двух лучей рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов волноводного разветвителя. Технический результат заключается в обеспечении более точной подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития, включающий подачу на входной волновод разветвителя рабочего оптического излучения, выбор для подстройки выходного волновода, при освещении которого корректирующим импульсным лазерным излучением наблюдают изменение величин сигналов рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов, последующее освещение участка выбранного для подстройки выходного волновода корректирующим лазерным излучением в течение времени, достаточного для достижения заданной величины коэффициента деления, отличающийся тем, что участок выбранного для подстройки выходного волновода освещают корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе не менее 10¹³ Вт/см², а достижение заданной величины коэффициента деления определяют по достижению максимальной контрастности интерференционной картины от двух лучей рабочего оптического излучения, выходящих из выходных волноводов волноводного разветвителя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что участок выбранного для подстройки выходного волновода освещают сфокусированным корректирующим импульсным лазерным излучением с длиной волны 0,2-0,8 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что участок выбранного для подстройки выходного волновода освещают корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе (10¹³-10¹⁵) Вт/см².