СПОСОБ ПОДСТРОЙКИ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА МАХА-ЦЕНДЕРА Российский патент 2021 года по МПК G02F1/295 

Настоящее изобретение относится к области интегральной оптики, а точнее, к способам точной подстройки контраста интегрально-оптических интерферометров Маха-Цендера.

Интегрально-оптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера широко используемых в волоконно-оптических линиях связи и системах обработки сигналов волоконно-оптических датчиков. Важной характеристикой модуляторов является контраст модуляции оптического сигнала (ER), который численно описывается как отношение мощности оптического излучения при максимальном прохождении через модулятор к мощности оптического излучения при минимальном прохождении оптического сигнала и выражается в децибелах.

Высокий контраст необходим для снижения шумов и перекрестных помех в системах оптических телекоммуникации и повышения чувствительности оптических датчиков. В интегрально-оптических модуляторах на основе интерферометра Маха-Цендера высокий контраст модуляции достигается при выравнивании оптической мощности двух интерферирующих волноводных мод на выходном делителе оптической мощности. Сложность получения высокого контраста обусловлена технологическим разбросом коэффициента деления волноводных делителей оптической мощности и потерь в разных плечах интерферометра, связанных с конечной точностью литографических методов формирования топологии интегрально-оптических схем и случайными дефектами, возникающими в оптических волноводах в процессе их изготовления. Типичная величина контраста коммерчески доступных интегрально-оптических модуляторов Маха-Цендера составляет 30 дБ, в то время как для многих практических применений необходимо иметь контраст 50 дБ и более.

Известен способ повышения контраста интерферометра Маха-Цендера (см, заявка № US 2003/0031401 А1, МПК G02B 6/26, опубликована 13.02.2003), который заключается в выборе конфигурации волноводного интерферометра Маха-Цендера с минимальной длиной, что снижает количество случайных дефектов в его плечах, и в использовании пространственных фильтров в виде сужающихся волноводов до входного и после выходного делителей оптической мощности, что позволяет снизить разброс коэффициента деления. Однако уменьшение длины интерферометра приводит к росту управляющего напряжения модулятора, а сужения волноводов на входе и выходе ухудшает согласование и приводит к росту потерь при стыковке с оптическим волокном.

Известен способ управления контрастом интерферометра Маха-Цендера (см. заявка № US 2015/0198859 А1, МПК G02F 1/225, опубликована 16.07.2015), заключающийся в активной регулировке и балансировки потерь в плечах интерферометра при помощи управляемого делителя оптической мощности или управляемых оптических аттенюаторов. Однако данный способ при меняющихся во времени внешних условиях требует постоянной подстройки управляемых элементов с использованием специальной системы регулирования с обратной связью. Это значительно усложняет конструкцию модулятора и повышает энергопотребление.

Известен полностью пассивный способ регулировки волноводного интерферометра Маха-Цендера (см. заявка № JP 2006215159, МПК G02B 06/12, опубликована 17.08.2006), который заключается в том, что на поверхности волноводов размещают капли прозрачной оптической эпоксидной смолы, тем самым, изменяют эффективный показатель преломления выбранного участка. Данный способ хорошо подходит для подстройки разности фаз в плечах интерферометра Маха-Цендера (рабочей точки), т.е. положения максимумов и минимумов интерференционной картины, однако плохо применим для подстройки контраста интерференционной картины (балансировки потерь в плечах интерферометра), поскольку прозрачная эпоксидная смола слабо влияет на удельные оптические потери. Кроме того, эпоксидная смола имеет показатель преломления меньше чем оптический волновод, что ограничивает эффективность ее влияния на интенсивность распространяющегося по оптическому волноводу излучения.

Известен способ подстройки коэффициента деления делителя оптической мощности (см. заявка № JP 11281838, G02B 06/122, 06/13, G02F 01/035, опубликована 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. Используя данный способ можно подстраивать делители оптической мощности в интерферометре Маха-Цендера и подстраивать его контраст. Известный способ требует для своей реализации физического повреждения материала подложки, на которой изготовлена схема, технически сложен в исполнении и позволяет производить подстройку коэффициента деления только в одну сторону.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков к настоящему техническому решению является способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера (см. заявка № RU 2646546 C1, МПК G02B 06/10, G02F 01/00, опубликована 05.03.2018), включающий подачу на входной волновод разветвителя в составе интерферометра Маха-Цендера на подложке ниобата лития рабочего оптического излучения, выбор для подстройки выходного волновода разветвителя, при освещении которого корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе не менее 10¹³ Вт/см² наблюдают изменение величин сигналов рабочего оптического излучения по изменению контраста интерференционной картины интерферометра Маха-Цендера.

Известный способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера основан на изменении коэффициента деления его волноводного разветвителя путем изменения коэффициента преломления в выбранном участке разветвителя, что неизбежно вносит дополнительный сдвиг фаз между оптическими сигналами в плечах интерферометра. Известный способ обладает низкой точностью подстройки, так как после превышения порогового значения интенсивности, что требуется для обеспечения стабильности подстройки, в области засветки происходит оптическое повреждение кристаллической решетки подложки, результат которого определяется большим количеством параметров материала подложки, включающим наличие или отсутствие микроскопических дефектов решетки на поверхности и в толще, точный ионный состав подложки в области подстройки, которые невозможно определить заранее для фабричного устройства. Кроме этого, точная подстройка интегрально-оптического разветвителя по известному способу осложняется тем, что величина изменения коэффициента деления не зависит линейно от времени засветки. Также необходимо отметить, что отклонения и артефакты, неизбежно возникающие в процессе формирования волноводного разветвителя, могут сильно влиять на чувствительность конкретного разветвителя к засветке, что проявляется в резком скачке коэффициента деления в начале процесса подстройки.

Задачей настоящего технического решения являлась разработка способа подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера увеличенной точности.

Поставленная задача решается тем, что способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера включает предварительное формирование на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра областей металлизации, подачу на вход интерферометра рабочего оптического излучения, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 10³ Вт/мм² до изменения величины сигнала рабочего оптического излучения на выходе интерферометра, воздействие на выбранный для подстройки участок плеча интерферометра в области металлизации пятном упомянутого выше корректирующего лазерного излучения до момента достижения заданной величины контраста интерферометра. Новым в настоящем способе является тот факт, что на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра предварительно формируются области металлизации, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра и подстройка осуществляются путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 10³ Вт/мм².

Диаметром 5-10 мкм пятна корректирующего лазерного излучения соответствует ширине типичных диффузных оптических волноводов, а его интенсивность выбрана выше порогового значения в 10³ Вт/мм², что соответствует началу процесса термического окисления в области засветки металлического покрытия

Интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера может быть изготовлен на подложке ниобата лития.

Области металлизации могут быть выполнены из титана.

Толщина области металлизации может составлять от 5 до 50 нм.

Корректирующие лазерное излучение может имеет длину волны 0,2 - 2 мкм.

Предложенный способ подстройки обладает повышенной точностью по сравнению с прототипом, так как в данном случае выполняется засветка и модификация области металлизации на поверхности диффузного волновода, которая формируется путем напыления и, соответственно, обладает существенно большей однородностью, а также меньшим количеством артефактов, по сравнению с подложкой интегрально-оптической схемы, которая изготовляется путем механического выделения из объема монокристалла и последующей полировки. В отличие от прототипа, предложенный метод может быть применен для высокоточной подстройки фабричных интегрально-оптических схем и может быть реализован на этапе их производства в автоматическом режиме, так как изменение интенсивности в подстраиваемом плече интерферометра линейно зависит от длины области засветки металлического покрытия на поверхности оптического волновода. Кроме того, повышенная точность подстройки обеспечивается существенно более низкой мощностью корректирующего излучения, по сравнению с прототипом, которое полностью поглощается объемом металлического покрытия, что позволяет, в отличие от прототипа, производить подстройку интегрально-оптических схем без воздействия на лежащую ниже области металлизации волноводную структуру и, тем самым, минимизировать влияние неточностей и артефактов технологического процесса формирования оптических волноводов на результат подстройки.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, представленными с целью иллюстрации, но не для ограничения, где:

на фиг. 1 приведена схема устройства для подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера;

на фиг. 2 приведен вид сверху интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера;

Устройство (фиг 1.2) включает подстраиваемый интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера 1, состоящий из входного делителя оптической мощности 2, плеч интерферометра 3 и 4, образованных прямыми волноводами с областями металлизации 5 и 6 и фазовым модулятором 7, и выходного разветвителя 8; трехосную прецизионную подвижку 9; источник рабочего оптического излучения 10; источник корректирующего лазерного излучения 11; оптическую систему формирования сфокусированного пятна 12; оптический микроскоп 13; фотоприемник 14; источник напряжения смещения 15.

Для реализации настоящего способа подстройки в плечах интерферометра 3 и 4 на верхней поверхности волноводов изготавливают области металлизации 5 и 6, например, равного размера толщиной от 5 до 50 нм. Рабочее оптическое излучение от источника 10 подают на входной делитель оптической мощности 2 интерферометра 1. Обычно используют когерентное излучение источника 10 (полупроводникового лазера с распределенной обратной связью) в характерном телекоммуникационном диапазоне длин волн (1300-1600 нм). В состав интерферометра 1 также входят электроды фазовой модуляции 7, подключенные к источнику смещения 15, обеспечивающие модуляцию разности фаз между плечами интерферометра 3 и 4 с амплитудой 2п, которая на выходном делителе оптической мощности 8 преобразуется в модуляцию интенсивности и регистрируется фотоприемником 14.

Настоящий способ подстройки контраста интерферометра Маха-Цендера осуществляется следующим образом.

Вначале на вход делителя оптической мощности 2 подстраиваемого интерферометра 1 подают рабочее оптическое излучение от источника 10. Изменяя напряжение смещения на электродах 7 и наблюдая при помощи фотоприемника 14 изменение мощности рабочего оптического излучения на выходе делителя оптической мощности 8, определяют контраст интерферометра. Пятном корректирующего излучения от источника 11 с малым диаметром D от 5 до 10 мкм, сформированным оптической системой 12, локально засвечивают область металлизации 5 на поверхности волновода в плече 3 интерферометра 1. В микроскоп 13 контролируют окисление металлической пленки, проявляющееся как локальная прозрачность. Изменяя напряжение смещения на электродах 7 и наблюдая при помощи фотоприемника 14 изменение мощности рабочего оптического излучения на выходе делителя оптической мощности 8, определяют изменение контраста интерферометра. Если контраст увеличился, подстройку контраста проводят в данном плече интерферометра, если контраст снизился, переходят на подстройку в области металлизации 6 плеча 4 интерферометра 1. Подстройку проводят путем перемещения пятна по металлической пленке вдоль волновода за счет перемещения образца на прецизионной трехосной подвижке 9, что контролируется в микроскоп 13. Скорость перемещения выбирают достаточно медленную, чтобы обеспечивать окисление на полную толщину металлической пленки. При подстройке проводят постоянный мониторинг изменения контраста интерферометра, изменяя напряжение смещения на электродах 7 и наблюдая при помощи фотоприемника 14 изменение мощности рабочего оптического излучения на выходе делителя оптической мощности 8. При достижении заданного значения контраста перемещение останавливается.

Настоящий способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера был экспериментально апробирован, для повышения контраста интегрально-оптического модулятора на основе ниобата лития. На чипе модулятора прямо на поверхности прямых волноводов в обоих плечах интерферометра на длине 200 мкм была сформирована титановая пленка толщиной 5 нм. Во входной волновод интерферометра при помощи оптоволокна было введено рабочее оптическое излучение с длиной волны 1550 нм и мощностью 1 дБм. В качестве источника корректирующего лазерного излучения использовался полупроводниковый лазерный диод с длиной волны излучения 976 нм, имеющий выход в виде одномодового волоконно-оптического пигтэйла. Пятно корректирующего излучения с диаметром D ~ 10 мкм, площадью ~ 80 мкм² и интенсивность около 7.5 кВт/мм², было сформировано пучком, выходящим из волоконно-оптического пигтэйла, находящегося на расстоянии ~ 3 мкм от поверхности чипа. Чип модулятора был закреплен на прецизионной трех-координатной микроподвижки, при помощи которой выполнялось перемещение пятна корректирующего излучения по поверхности чипа со скоростью 1 мм/с. Контроль величины контраста модуляции осуществлялся по уровню оптической мощности, соответствующей минимуму передаточной характеристики модулятора, для достижения которой к электродам модулятора прикладывалось необходимое напряжение смещения. По результатам подстройки было получено увеличение контраста модуляции сигнала на выходе модулятора с 30 до 48 дБ, что соответствует выравниванию оптических потерь в плечах интерферометра на уровне 0,03 дБ.

Изобретение относится к области интегральной оптики, а точнее к способам точной подстройки контраста интегрально-оптических интерферометров Маха-Цендера. Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера включает предварительное формирование на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра областей металлизации, подачу на вход интерферометра рабочего оптического излучения, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 10³ Вт/мм² до изменения величины сигнала рабочего оптического излучения на выходе интерферометра, воздействие на выбранный для подстройки участок плеча интерферометра в области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения до момента достижения заданной величины контраста интерферометра. Изобретение обеспечивает подстройку интерферометра с увеличенной точностью. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера, включающий предварительное формирование на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра областей металлизации, подачу на вход интерферометра рабочего оптического излучения, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 10³ Вт/мм² до изменения величины сигнала рабочего оптического излучения на выходе интерферометра, воздействие на выбранный для подстройки участок плеча интерферометра в области металлизации пятном упомянутого выше корректирующего лазерного излучения до момента достижения заданной величины контраста интерферометра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера изготовлен на подложке ниобата лития.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что области металлизации выполнены из титана.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что толщина области металлизации составляет от 5 до 50 нм.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что корректирующее излучение имеет длину волны 0,2-2 мкм.