Волноводный модулятор света Советский патент 1993 года по МПК G02F1/03 

ческий изолирующий слой, 6 - высокоотражающее зеркало, 7 - рабочая зона, 8 - источник квазимонохром.атического коллимированного управляемого излучения с длиной волны Ас, 9 - средство для возбуждения, в волноводе каналируёмого ива- зим он охроматйческ ого управляющего излучения с длиной волны Ав.

На фиг.2а,б и фиг.З обозначены: 10 - второй волновсщны й слой, 11 - средство для вывода управляющего излучения из волновода в подложку, 12 - дополнительный волноводный слой, 13 - дополнительное средство для возбуждения в дополнительном волноводе каналируемого квазимонохроматического управляющего излучения.

На первой поверхности 2 плоскопарал- лельной диэлектрической подложки 1 имеется первый волноводный слой 4, выполненный из фотохромного или фото- рефрактиеного материала, и оптические изолирующие слои 5. В области рабочей зоны 7, освещаемой источником 8 квазимонохроматического коллимированного управляемого излучения, на поверхности оптического изолирующего слоя расположено первое высокоотражающее зеркало 6. Симметрично с ним на второй поверхности 3 подложки 1 расположено второе высокоотражающее зеркало б. С помощью средства 9 в первом волноводном слое 4 возбуждается каналируемое управляющее излучение. Средство 9 содержит источник квазимонохроматического управляющего излучения, элементы связи с первым волно- водным слоем и средство для изменения интенсивности 8 управляющего излучения, причем упомянутые источник, элементы связи и средство для изменения интенсивности могут быть интегрированы на общей подложке 1. Два высокоотражающих зеркала 6 образуют резонатор Фабри-Перо, Показатели преломления и толщины сред внутри резонатора выбраны по соотношению

/o°n(z) Ас/2- (1)

где m - целое чирло; d0 - расстояние между высокоотражающими зеркалами, n(z) - профиль показателя преломления внутри- резонаторной среды вдоль нормали к зеркалам в состоянии высокого пропускания резонатора.

Подложка 1 выполнена из материала, прозрачного по крайней мере на длине волны Ас. Оптический изолирующий слой выполнен из материала, прозрачного для излучения с длинами волн А в А с, с показателем преломления , где пп - показатель преломления первого волноврдного слоя. Высокоотражающие зеркала выполнены, например, в виде металлических пленок. В случае фотохромного волноводного слоя

управляемое излучение может быть окрашивающим, а управляющее - обесцвечивающим, В этом случае средство 9 обеспечивает по крайней мере два состояния интенсивности в. В одном из них (состояние ДА) отношение IB к интенсивности с таково, что в области рабочей зоны волноводного слоя скорость рбесцвечивания фотохромного материала превышает скорость окрашивания. В другом состоянии (состоя5 ние НЕТ) отношение 1вЛс таково, что скоро-. сть обесцвечивания меньше скорости окрашивания. В случае фоторефрактивного волноводного слоя управляемое излучение является неактиничным, а управляющее 0 актиничным. В этом случае средство 9 также обеспечивает по крайней мере два указанных состояния интенсивности ID. Водном из них выполняется соотношение (1), а в другом осуществляется расстройка резонанс5 ного условия (1) на величину порядка полуширины аппаратной функции разона- тора. .

Модулятор, показанный на фиг.1 ,б отличается от модулятора на фиг.1а лишь тем,

0 что одно из зеркал расположено на первой поверхности подложки, а между этим зеркалом и волноводным слоегй имеется второй оптический изолирующий слой,

Модулятор, изображенный на фиг.2а,б

5 отличается от модулятор а на фиг.1 а,б лишь тем, что между первым зеркалом 6 и первым еолноводным слоем 4 имеется второй волноводный слой 10, рабочая зона которого снабжена-средством 11 для вывода излу0 чения из волновода в подложку, причем зеркала 6 выполнены высокоотражающими как для управляемого, так и управляющего излучения. Первый волноводный слой выполнен из фотохромного материала с пока5 зателем преломления пп. Второй волноводный слой 10 выполнен из прозрачного для управляемого и управляющего излучения материала с показателем преломления . Составной волновод

0 каналирует две группы мод: моды, имеющие

эффективный показатель преломления

и локализованные, в основном, в

. первом волноводном слое, и моды с ,

локализованные, в основном, во втором вол5 новодном слое, Средство 11 выполнено, например, в виде гофрированного участка поверхности второго волноводного слоя, смежной с оптическим изолирующим слоем, причем период Л гофрировки выбран по соотношениюA AB/Nm,(2) где Nm - эффективный показатель преломления рабочей моды, , а высота гофра известным методом выполнена возрастающей по ходу направляемой волны и обеспечивающей равномерное распределение плотности мощности управляющего излучения по сечению выведенного в подложку пучка.

Модулятор, показанный на фиг.З, отличается от модулятора на фиг.16 лишь тем, что между второй поверхностью 3 подложки 1 и зеркалом 6 имеются дополнительный волноводный слой 12 и оптические изолирующие слои 5, а модулятор снабжен дополнительным средством 13 для возбуждения в дополнительном волноводе каналируемого квазимонохроматического управляющего излучения, причем дополнительный волноводный слой выполнен из фотохромного или фоторефрактивного материала.

Модулятор, изображенный на фиг,1а,б в случае фотохромного волноводного слоя работает следующим образом. Максимальное пропускание Т резонатора равно

( 1 - R Г А

(3)

( 1 - R А )2 где R - коэффициент отражения зеркал для управляемого излучения, А exp(-.«ch), a c

- коэффициент поглощения управляемого излучения, h - толщина фотохромного слоя. При состоянии НЕТ интенсивности в фото- хромный материал окрашивается и пропу- скание резонатора уменьшается как

вследствие увеличения ас, так и возможного нарушения условия резонанса (1), При переходе в состояние ДА интенсивности е управляющего обесцвечивающего излучения фотохромный материал обесцвечивается и пропускание Т резонатора увеличивается как вследствие уменьшения Ос, так и уменьшения расстройки от условий резонанса (1). Диэлектрическая подложка толщиной 2-4 мм может быть выполнена из кварца, первый волноводный слой толщиной h. 100 мкм - из фотохромного стекла Corning № 5. Оптические изолирующие слои могут быть приготовлены термическим распылением порошка SI02. Высокоотражающие зеркала с коэффициентом отражения 0,9 могут быть приготовлены путем термического распыления алюминия. Если в качестве управляемого излучения.используется излучение He-Cd лазера с длиной волны генерации Ас 0,32 мкм. а в качестве управляющего излучения - излучение Аг-лазера с длиной волны генерации АВ 0,51 мкм, то управляемое излучение будет приводить к

окрашиванию рабочей зоны волноводного слоя, а управляющее - к обесцвечиванию.

Коэффициенты поглощения фотохромного стекла Corning N 5 на длине волны 0,32 5 мкм составляют 3 в обесцвеченном состоянии и 7 см в окрашенном состоянии, Без резонатора и при выполнении подложки из -того же фотохромного стекла согласно выражениям (1), (2) минимальное

0 пропусканиеТ0 0,23, максимальное пропускание TI 0,239 для h 100 мкм, d 2 мм. При этом глубина модуляции m 0,04, внесенные потери составляют 6,2 дБ. Из выра- хсения (3) следует, что при наличии

5 резонатора и выполнении подложки из прозрачного материала минимальное пропускание модулятора с указанными выше параметрами равно 0,35, максимальное пропускание 0,60, глубина модуляции m

0 0,42, внесенные потери менее 3 дБ, т.е. по сравнению с прототипом одновременно увеличивается глубина модуляции и уменьшаются внесенные потери.

Изменение показателя преломления

5 при изменении степени окрашивания фотохромного материала будет приводить к уменьшению величины Т0, т.е. к повышению глубины модуляции. В случае фотореактивного волноводного слоя основным следст0 вием включения управляющего излучения будет изменение показателя преломления. По сравнению с рассмотренным выше примером чисто фотохромного материала это будет приводить к увеличению максималь5 ного пропускания резонатора и к уменьшению минимального пропускания, т.е. к увеличению глубины модуляции и уменьшению внесенных потерь.

Модулятор, показанный на фиг.2а,б ра0. ботает следующим образом. С помощью средства 9 в двухслойном волноводе, содержащем первый волноводный слой из фотохромного материала, возбуждается мода с . Так как эта мода локализована в

5 основном во втором волноводном слое, ее затухание мало. С помощью средства 11 в рабочей зоне управляющее излучение выводится в подложку, причем вследствие усло- в.ия (2) выведенное излучение

0 распространяется по нормали к поверхности зеркала. Поскольку затухание управляющего излучения вследствие поглощения в фотохромном слое мало, а средство 11 выполнено с возрастающим по ходу каналиру5 емой волны коэффициентом излучения в . подложку, плотность мощности выведенного в подложку излучения постоянна в поперечном сечении z const резонатора, что позволяет увеличить рабочую поперечную апертуру управляющего светового пучка без

уменьшения глубины модуляции. При этом в силу дисперсии показателя преломления внутрирезонаторных сред при определенных значениях интенсивностей волн IB, 1с в состоянии ДА возможно выполнение условия резонанса типа (1) для управляющей волны, что приводит к возбуждению резонатора на длине волны Дв и, следовательно, к увеличению плотности мощности управляющего излучения в области фотохромного слоя. В остальном работа модулятора по фиг.2а,б аналогична работе модулятора по фиг.1а,б.

Каждый из волноводных слоев в устройстве по фиг.З работает так же, как в модуляторе по фиг.1. Отсюда следует, что в случае фотохромных слоев состояние, высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только в том случае, когда обесцве- чивающее управляющее излучение возбуждено одновременно в первом и дополнительном волноводных слоях, т.е. модулятор по фиг.З может выполнять функции логического элемента И. В случае фотореф- рактивных слоев условие резонанса (1) и, следовательно, состояние высокого пропускания резонатора, может быть достигнуто как при возбуждении управляющего излучения только в одном из слоев, так и при одно-; временном возбуждении управляющего излучения в первом и дополнительном волноводных слоях. Таким образом, модулятор по фиг.З может выполнять как функции логического элемента И, так и функции логического элемента ИЛИ.

Формула изобретения 1. Волноводный модулятор света, содержащий диэлектрическую подложку с первой и второй взаимно параллельными поверхностями, первый волноводный слой, выполненный из фотохромного или фоторефрактивного материала и расположенный на первой поверхности диэлектрическойподложки, источник квазимонохроматического управляемого

излучеяия, по крайней мере одно средство для возбуждения в волноводном слое квазимонохроматического управляющего излучения, отличаю щи и с я тем, что, с целью повышения эффективности модуляции, модулятор снабжен отражающими по крайней мере для управляемого излучения зеркалами, образующими резонатор Фабри-Перо, причем первый волноводный слой располо- .жен внутри этого резонатора, а диэлектрическая подложка выполнена из прозрачного по крайней мере для управляемого излучения материала.

2. Модулятор по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения рабочей поперечной апертуры управляемого светового пучка, между одним из отражающих зеркал и первым волноводным слоем расположен второй волноводный слой, выполненный из прозрачного для управляющего и управляемого излучений материала с показателем преломления, превышающим показатель преломления первого волнового слоя, и снабженный средством-для вывода канали- руемого излучения в диэлектрическую подложку.

3. Модулятор по п.1,отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем выполнения логических операций, в резонаторе расположен дополнительный волноводный слой, выполненнный из фотохромного или фоторефрактивного материала, который расположен на второй поверхности диэлектрической подложки, а модулятор снабжен дополнительным средством для возбуждения в дополнительном волноводном слое квазимонохроматического управляющего излучения.

а

е

Использование: интегральная оптика, в оптических системах обработки информации для модуляции интенсивности световых пучков или выполнения логических операций. Сущность: модулятор снабжен двумя высокоотражающими зеркалами, образующими резонатор Фабри-Перо, фотохром- ный несущий слой расположен внутри резонатора, а подложка волновода выполнена из прозрачного оптического материала. Пропускание резонатора сильно зависит от потерь, определяющихся коэффициентом поглощения фотохромного материала, что позволяет осуществить модуляцию, например, окрашивающего излучения, падающего на резонатор из воздуха, путем изменения интенсивности каналируемого обесцвечивающего излучения. При этом изИзобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в оптических системах обработки информации для модуляции интенсивности световых пучков или выполнения логических операций. Цель изобретения - повышение эффективности модуляции управляемого свободного светового пучка путем повышения менение интенсивности каналируемого обесцвечивающего излучения .может быть осуществлено высокоэффективными интегрально-оптическими модуляторами. Для увеличения рабочего поперечного сечения модулируемых световых пучков в резонатор введен второй несущий волноводный слой, расположенный на поверхности первого несущего волноводного слоя, выполненный из прозрачного материала с показателем преломления, превышающим показатель преломления первого несущего слоя, и снабженный средством для вывода излучения в подложку, а зеркала выполнены высокоотражающими как для окрашивающего, так и для обесцвечивающего излучения. Кроме того, в резонатор введен дополнительный несущий волноводный слой, выполненный из фотохромного материала и расположенный на свободной поверхности подложки, а модулятор снабжен средством для возбуждения в дополнительном волноводе направляемого обесцвечивающего излучения. Это позволяет использовать модулятор в качестве логического элемента М, поскольку состояние высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только при одновременном обесцвечивании двух фотохромных несущих слоев. 2 з.п.ф- лы, 3 ил. глубины модуляции при одновременном уменьшении внесенных потерь. Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, На фиг.1а,б приняты следующие обозначения: 1 - плоскопараллельная диэлектрическая подложка, 2 - первая поверхность подложки, 3 - вторая поверхность подложки, 4 - первый волноводный слой, 5 - опти-, (Л С 00 О СП . ы ON

з

/ з

f/

в

X

I

6

5 6

//

фиг.1

ГУ

т/ 7

фи.Ј

V

9

№

Л

5

-7 ./

-ff 12

фиг.З