Тонкопленочная электрооптическая линза Советский патент 1989 года по МПК G02F1/03 

ее

1C

ее

4

Изобретение относится к устройствам, выполняющим функции линз в тонкопленочном волноводе, и может быть использовано в различного рода интегрально-оптических устройствах.

Цель изобретения - увеличение све тосилы и разрешающей способности, а также повышение надежности.

На фиг. 1 изображено устройство, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху.

Устройство содержит тонкопленочный волновод 1, сформированный на подлйжке 2 из электрооптического материала, электроды 3-6, образующие двойную встречно-штыревую структуру, симметричную относительно оси линзы и устройства ввода 7 и вывода 8 излучения, а также два биполярных блока 9. и 10 питания.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на систему электродов 3-6 устройства в волноводе 1 за счет линейного злектроопти- ческого эффекта изменяется эффективный показатель преломления волновод- ной моды. Величина изменения пропорциональна приложенному напряжению и зависит от интеграла перекрытия поля моды с полем электродов. Изменение эффективного показателя преломления приводит к появлению дополнительного

электрода до оптической оси определяется соотношением

XK

Af( 2Ю 2п

Г () У L 4п J

10

15

k 0,1,2,...

где Д - длина волны излучения в вакууме;

f - фокусное расстояние линзы; п - эффективный показатель преломления волноводной среды. При этом ширина Ak К-ого электрода подчиняется соотношению

20

Ik 4-1 U

Л

мин

,

2К

X

i кч-1

- Хгк

2,

где

S

25

30

- минимальная ширина, обеспечиваемая фотолитографическим процессом.

Длина электродов выбирается таким образом, чтобы при подаче определенного напряжения на выходе из системы электродов излучение приобретало дополнительный набег фазы в четверть длины волны. В этом случае, как показывают наши расчеты эффективности такой линзы, фазовый фронт сходящейся волны наилучшим образом аппроксимируется фазовым фронтом волны на выходе из

предлагаемой электрооптической линзы, набега фазы излучения после прохожде- 35 т.е. данные параметры электродной ния системы электродов, пJ)ичeм этот

системы Френелевской электрооптической линзы являются оптимальными с точки зрения фокусирующих свойств.

набег противоположен по знаку для соседних зазоров вследствие противоположности направления поля электродов, а его величина пропорциональна длине электродов. Если набег фазы равен четверти длины волны излучения, значит разность набега фазы в соседних зазорах, соответствующих зонам Френеля, равна половине длины волны. Поскольку интеграл перекрытия полей моды и электронов зависит от расстояния между электродами, т.е. от размера зоны Френеля, то эту зависимость следует компенсировать выбором длины электродов, причем длина электродов обратно пропорциональна величине напряжения, требуемого для создания, электрооптической Френелевской линзы.

Для аппроксимации фазового фронта сходящейся световой волны центры электродов должны располагаться на границах соответствую1чих зон Френеля так, что расстояние Х от центра К-ого

электрода до оптической оси определяется соотношением

Af( 2Ю 2п

Г () У L 4п J

k 0,1,2,...

где Д - длина волны излучения в вакууме;

f - фокусное расстояние линзы; п - эффективный показатель преломления волноводной среды. При этом ширина Ak К-ого электрода подчиняется соотношению

0

Ik 4-1 U

Л

мин

,

2К

X

i кч-1

- Хгк

2,

где

S

5

0

- минимальная ширина, обеспечиваемая фотолитографическим процессом.

Длина электродов выбирается таким образом, чтобы при подаче определенного напряжения на выходе из системы электродов излучение приобретало дополнительный набег фазы в четверть длины волны. В этом случае, как показывают наши расчеты эффективности такой линзы, фазовый фронт сходящейся волны наилучшим образом аппроксимируется фазовым фронтом волны на выходе из

предлагаемой электрооптической линзы т.е. данные параметры электродной

системы Френелевской электрооптической линзы являются оптимальными с точки зрения фокусирующих свойств.

Для длины электродов нельзя привести точную расчетную формулу, поскольку она зависит от распределения поля оптической моды, ориентации всег кристалла и поляризации волны. Однак методика расчета длины электродов известна и можно записать, что

00

L, -А ( J Е(у) 1 (y)dy),

- 00

где г - соответствующий электрооптический коэффициент; соответствующая компонента поля системы электродов , нормированное распределение амплитуды волноводной моды.

Е(у) )

Требование создания линз с достаточно большой апертурой приводит к ограничению величины напряжения, подаваемого на электроды, до / 20 В,

514

поскольку размер крайних зон Френеля составляет 2 мкм и напряженность электрического поля достигает в этом случае величины В/м, что соответствует величине пробоя в воздухе Ерр 4 9-10 В/м. Длина электродов, индуцирующих первую зону Френеля при разности потенциалов 20 В, получается порядка фокусного расстояния линзы, что приводит к увеличению размера светового пучка в фокусе и уменьшению разрешающей способности линзы, поскольку излучение, фокусируемое краями линзы, пересекает центральную область и частично рассеивается. Пусть и и (yi и напряжения дополнительных и сточников, причем «. / 1 . Использование двойной встречно-штыревой структурь электродов при подаче напряжения U на электрод 3, oiU - на электрод 4, - на электрод 5, -U- на электрод 6 (фиг.2) приводит к тому, что разность потенциалов во всех зонах Френеля, кроме первой, равна ()и, а в первой составляет 2eiU. Поскольку их отношение равно 2oi/oi-1, то выбирая oL можно добиться увеличения напряженности поля в первой зоне по сравнению с остальными и, следова- тельно, уменьшения длины электродов, расположенных на границе первой зоны до желаемого размера. Наиболее удобно при этом добиваться одинакового размера с электродами, индуцирующими вторую зону Френеля.

Пример. Предлагаемая тонкопленочная линза была реализована на основе планарного волновода в ниоба- те лития, полученного термодиффузией пленки титана. Структура электродов (фиг.2) состоит из 26 пар электродов с длинами от 0,2 до 3 мм и расстояниями между ними от 3 до 40 мкм. При подаче напряжения 10 В на электрод 3 30 В - на электрод 4; -30 В - на электрод 5, -10 В - на электро- 6 устройство фокусирует параллельный пучок света, распространяющийся в волноводе, шириной 600 мкм на расстоянии 10 мм от электродов с эффективностью 80%. Использование двойной встречно- штыревой структуры электродов позволяет уменьшить длину электродов.

Q 5 5

5

1 6 .

индуцируюш х первую зону Френеля, с 9 (для 20 В обычной структуры электродов) до 3 мм и соответственно увеличить эффективность дифракции и разрешающую способность, согласно нашим расчетам, примерно в 2 раза.

Формула изобретения

Тонкопленочная электрооптическая линза, включающая оптический волно- вод, расположенный на подложке из электрооптического материала, устройство ввода и вывода излучения, систему электродов, расположенных на поверхности волновода, и блока ПИТАНИЯ, отличающаяся тем, что, с целью увеличения светосилы и разрешающей способности линзы, а также повышения надежности, система электродов вьшолнена в виде двух изо- лированн гх встречно-штьфевых структур-электродов, симметричных относительно оси линзы, блок питания состоит из двух биполярных источников напряжения различной величины с объединенным общим электродом, положительные полюса источников напряжения соединены с первой встречно-штыревой структурой электродов, а отрицательные полюса источников напряжения соединены со второй встречно-штыревой структурой электродов, при этом расстояние Х| от центра каждого штыревого электрода до оптической оси определяется соотношением

-(1 + 2/ ) .Г А (1 + 2/k/)V

2п

4п

40

5

0

где k О, i1, i2, +3.., номер электрода;

Д - длина волны излучения в вакууме;

f - фокусное расстояние линзы;

п - эффективный показатель пре- I ломления волновода, а длины штыревых электродов при заданных напряжениях биполярных источников выбраны таким образом, что дополнительный набег фазы излучения на выходе каждой пары смежных штыревых электродов равен .

SB .

nn n nin rf nn

Изобретение относится к интегральной оптике и может найти применение в устройствах оптической обработки информации. Цель изобретения - увеличение светосилы и разрешающей способности, а также повышение надежности. Тонкопленочная электрооптическая Френелевская линза выполнена в виде двойной симметричной встречноштыревой структуры электродов 3-6, сформированной на поверхности волновода 1, расположенного на подложке 2 из электрооптического материала. Центры электродов располагаются на границах зон Френеля, а длина их перекрытия обеспечивает дополнительный набег фазы в четверть длины волны. Применена система питания при помощи диполярных блоков 9 и 10, обеспечивающая независимую регулировку напряженности электрического поля в первой зоне Френеля, что позволяет при конструировании сократить длину соответствующих электродов, а следовательно повысить светосилу и надежность линзы. 2 ил.

,

..,. , , . ,- l

-t

Ц)иг.1