ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АСИММЕТРИЧНОГО ВОЛНОВОДА В СТЕКЛЕ Российский патент 2019 года по МПК G02F1/01 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации, и может быть использовано в качестве одной из двух базовых составных частей волноводных изоляторов оптического излучения, применяемых в передатчиках и волоконно-оптических усилителях для оптических линий связи.

Известен интегрально-оптический преобразователь поляризации (Yonghao Fei, Libin Zhang, Yanmei Cao, Xun Lei, Shaowu Chen «A novel polarization rotator based on an asymmetric slot waveguide» // Optics Communications Volume 324, 15 August 2014, Pages 22-25), в котором используется совершенно другой принцип преобразования - биения гибридных мод. За счет изменения длины известного преобразователя поляризации можно получить как полное преобразование ТЕ-ТМ, так и преобразование линейной поляризации излучения в циркулярную поляризацию.

Однако для создания известного преобразователя поляризации используется дорогая технология ионноплазменного напыления и травления, при этом необходима высокая точность геометрических размеров устройства и показателей преломления волноводной структуры. Известное устройство обладает высокими потерями оптического излучения, более 1 дБ/см.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой схеме интегрально-оптического преобразователя поляризации является интегрально-оптический ТЕ-ТМ преобразователь мод волновода (Jing Wang, Ben Niu, Zhen Sheng, Aimin Wu, Wei Li, Xi Wang, Shichang Zou, Minghao Qi, and Fuwan Gan, «Novel ultra-broadband polarization splitter-rotator based on mode-evolution tapers and a mode-sorting asymmetric Y-junction» Opt. Express 22, 13565-13571 (2014)), функционирование которого основано на фундаментальном принципе модовой эволюции. Известное устройство позволяет повернуть поляризацию оптического излучения на 90°.

Однако недостатком известного интегрально-оптического ТЕ-ТМ преобразователя мод волновода является то, что для реализации его оптической схемы необходимо использовать дорогостоящие технологии ионноплазменного напыления и травления. Известное устройство позволяет получить полное преобразование ТЕ-ТМ, но не позволяет преобразовать линейную поляризацию в циркулярную.

Целью изобретения является создание пассивного преобразователя плоскости поляризации на основе асимметричного ионообменного волновода в стекле, который позволяет преобразовать линейную поляризацию излучения в циркулярную, обладает низкими потерями оптического излучения и не требует применения дорогостоящих технологий изготовления волноводов.

Цель достигается тем, что интегрально-оптическая схема пассивного преобразователя линейной плоскости поляризации излучения в циркулярную, выполнена на основе асимметричного ионообменного волновода в стекле, часть поверхности над которым покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. Для изготовления устройства может быть использована технология ионного обмена в стекле с последующим частичным заглублением канала, которая позволит осуществить интеграцию магнитооптического волноводного невзаимного элемента (волновода с покровной пленкой с магнито-оптическими свойствами) и предлагаемой конструкции на единой подложке и получить тем самым единую схему интегрально-оптического изолятора.

В известных приведенных технических решениях имеются признаки, присущие заявленному решению. Это использование интегрально-оптических волноводов в конструкции и возможность преобразовать поляризацию излучения.

Однако свойства заявленного решения отличаются от свойств известных решений тем, что в заявленном устройстве для преобразования поляризации излучения часть поверхности над волноводом в форме эллипса покрыта диэлектрическим слоем, расположенным под углом относительно продольной геометрической оси волновода. Заявленное устройство обладает более низкими потерями оптического излучения и позволяет упростить технологию изготовления волноводной структуры.

В связи с чем, заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями от известных и обеспечивает достижение положительного эффекта: позволяет преобразовать линейную поляризацию излучения в циркулярную, обладает низкими потерями оптического излучения, позволяет применить более дешевую технологию изготовления оптической схемы. В предлагаемом изобретении преобразователь поляризации должен быть выполнен на основе волноводов с асимметричной формой поперечного сечения канала, под которой понимается не только неравенство эффективных размеров волновода, то есть его ширины и толщины, но принципиальным в данном случае выдвигается требование, чтобы такой волноводный канал был повернут на угол 45° относительно осей x и y в декартовой системе координат x-y-z, ориентированной относительно подложки, в которой волновод сформирован. Такая конструкция устройства позволяет осуществить интеграцию магнитооптического волноводного невзаимного элемента (волновода с покровной пленкой с магнитооптическими свойствами) и предлагаемой конструкции на единой подложке и получить тем самым единую схему интегрально-оптического изолятора.

Преимущества данного изобретения станут более очевидными из подробного описания его предпочтительного осуществления со ссылкой на прилагаемые рисунки, в которых:

рис. 1 - изображает схему волноводного преобразователя поляризации;

рис. 2 - распределение показателя преломления волновода до и после этапа селективного заглубления канала через маску (а и b, соответственно);

рис. 3 - поляризации фундаментальных мод ионообменного волновода с показателем преломления покровного слоя, равного показателю преломления подложки;

рис. 4 - поляризации квази-ТЕ и квази-ТМ мод ионообменного волновода с воздушным покровным слоем (а и b, соответственно).

На рис. 1 для пояснения принципа действия и в качестве одного из возможных вариантов технической реализации показана схема преобразователя поляризаций на основе волновода в форме эллипса. Предлагаемая конструкция преобразователя поляризации использует асимметричный волновод. Часть поверхности над волноводом покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. В той части поверхности над волноводом, где пленка отсутствует, покровной областью является воздушная среда. Пленка расположена под небольшим углом относительно продольной геометрической оси волновода, поэтому, в зависимости от продольной координаты (оси z), она покрывает либо полностью всю поверхность над каналом, либо часть этой поверхности, либо она находится вне зоны волновода.

Схема преобразователя поляризации, показанная на рис.1, основана на эволюции моды волновода. Согласно базовому варианту этого метода необходимо адиабатически трансформировать одну форму поперечного сечения канала волновода в другую. Однако применительно к рассматриваемому волноводу можно поступить и иным образом - не поворачивать форму поперечного сечения самого канала вдоль оси z, а оставить ее неизменной и плавно варьировать распределение показателя преломления покровной среды по оси x вдоль волновода, как показано на рис. 1. Такая волноводная схема будет обладать свойствами четвертьволновой пластинки, преобразующей линейную ТЕ- или ТМ-поляризацию излучения в циркулярную.

Волноводы с необходимой для создания устройства формой профиля показателя преломления можно сформировать в стекле путем применения технологии лазерной «записи» канала последовательностью фемтосекундных импульсов оптического излучения (laser writing). Также волновод с асимметричной формой канала, развернутый относительно осей подложки на угол 45°, может быть изготовлен по более доступной технологии ионного обмена с селективным заглублением, при котором на этапе заглубления маскирующий слой закрывает половину поверхности волновода.

Процесс формирования асимметричного волноводного канала производится в 2 этапа. На первом этапе формирования волновода происходит внедрение ионов Ag+ за счет термического ионного обмена Ag+↔Na+ в стеклянную подложку через щель в маске, которая покрывает поверхность подложки, помещенной в расплав соли AgNO3. На втором этапе производится селективное заглубление канала путем приложения напряжения к подложке, которая помещается в расплав соли NaNO3. На этом этапе нанесенная на стекло маска закрывает часть поверхности над сформированным на первом этапе каналом.

Предлагаемая конструкция интегрально-оптического преобразователя поляризации обеспечивает преобразование линейной поляризации излучения в циркулярную при низких потерях оптического излучения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленной поляризационной квантовой криптосистемы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Результаты физико-математического моделирования формирования асимметричного канала в стекле для построения преобразователей поляризации представлены на рис. 2.

На рис. 2 показано распределения показателя преломления волноводного канала после этапа термического ионного обмена и после этапа его селективного заглубления с маской, закрывающей половину поверхности стеклянной подложки над волноводом. Расчеты проводились путем решения двумерного нелинейного уравнения диффузии, и в результате определялось формирующее волновод пространственное распределение показателя преломления, которое зависит от концентрации внедренных ионов Ag+ в стеклянную подложку.

Принцип работы преобразователя поляризаций может быть объяснен с учетом особенностей поляризации мод асимметричного волновода в двух его конфигурациях - покрытого пленкой, и с воздушной покровной средой. Расчет мод волновода был произведен путем решения векторного волнового уравнения.

Параметры волновода: показатель преломления подложки 1,5003, максимальное прирашение показателя преломления волновода 0,03; показатель преломления покровного слоя - либо 1, либо 1,5003; уровень расположения геометрического центра волновода относительно границы подложки с воздухом (при аппроксимации профиля волновода двумерной гауссовой функцией) - 2,5 мкм. Рабочая длина волны 1,55 мкм.

На рис. 3 представлены поляризации фундаментальных мод волновода, покрытого пленкой.

Поляризации мод показаны как распределение вектора напряженности электрического поля в поперечном сечении волновода. Как видно, они линейно поляризованы и направлены вдоль и поперек длиной и короткой части сечения волноводного канала.

На рис. 4 представлены поляризации фундаментальных мод волновода с воздушным покровным слоем.

В данном случае поляризации также линейные, но они ориентированы параллельно и перпендикулярно границе раздела подложки с воздушной средой, то есть являются квази-ТЕ и квази-ТМ модами. Причина такой ориентации поляризаций состоит именно в близости воздушного слоя к волноводному каналу.

Угол поворота поляризации относительно оси у рассчитывается по формуле:

где n(x,y) - распределение показателя преломления в поперечном сечении волновода, Ex(x,y) и Ey(x,y) - поперечные компоненты распределения вектора напряженности электрического поля моды волновода. Интегрирование осуществляется по всей площади локализации волноводной моды. Для указанных параметров волновода, покрытого пленкой, расчетные значения угла поворота поляризации составили -42,4° для первой моды волновода и 47,6° для второй моды. Для волновода с воздушным покровным слоем угол поворота поляризации составил 0,5° для первой моды и -89,5° для второй моды.

Расчет эволюции преобразования моды был произведен полным векторным методом распространяющегося пучка. Результаты расчета: поляризационное преобразование ТЕ₀- или ТМ₀-моды в циркулярно-поляризованное излучение сопровождается вносимыми потерями энергии оптического излучения в 0,5 дБ при длине устройства 20 мм. При разработке преобразователя и выборе его параметров учитывалась зависимость адиабатической эволюции моды от модового двулучепреломления волновода.

При использовании заявленной конструкции интегрально-оптического преобразователя поляризации достигается возможность преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную с низкими потерями оптического излучения и упрощение технологии изготовления оптической схемы.

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации. В устройстве преобразователя поляризаций применяется волновод в форме эллипса, часть поверхности над которым покрыта диэлектрическим слоем с показателем преломления, равным показателю преломления подложки. В той части поверхности над волноводом, где пленка отсутствует, покровной областью является воздушная среда. Пленка расположена под углом относительно продольной геометрической оси волновода. Такая конструкция позволяет не поворачивать форму поперечного сечения самого канала вдоль оси z, плавно варьировать распределение показателя преломления покровной среды по оси x вдоль волновода. При использовании конструкции интегрально-оптического преобразователя поляризации достигается возможность преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную с низкими потерями оптического излучения и упрощение технологии изготовления оптической схемы. 4 ил.

Интегрально-оптический преобразователь поляризации излучения на основе асимметричного волновода в стекле, включающий дополнительный диэлектрический слой, нанесенный поверх волновода, отличающийся тем, что в конструкции устройства для преобразования линейной поляризации излучения в циркулярную часть поверхности над волноводом в форме эллипса покрыта диэлектрическим слоем, расположенным под углом относительно продольной геометрической оси волновода.