Волноводный управляемый преобразователь оптических мод Советский патент 1993 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к области оптической обработки информации, в частности к устройствам интегральной оптики, и может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, увеличение быстродействия и минимизация устройства.

Поставленная цель достигается тем, что волноводный преобразователь оптических мод содержит сегнетоэлектрическую подложку с оптическим волноводом и металлическими электродами, над которыми расположен покровный слой, а также вторые металлические электроды, межэлектродная область которых соосна межэлектродной области первых металлических .электродов и соосна оптическому входу и оптическому выходу. Оптический прозрачный слой, расположенный на поверхности оптического волновода между первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем, с показателем преломления большим показателя преломления оптического волновода. Оптически прозрачный слой не

ю

о

ю

3 18290214

является волиоводным при данной длинемежду металлическими электродами 5 и меволны оптического излучения, а его толщи-таллическими электродами 6.

на монотонно увеличивается в простраист-Рассмотрим работу волиоводного преве от первой ко второй паре металлическихобрэзователя оптических мод (фиг. 1).

электродов.5 Подадим на оптический вход 7 оптичеЧастным случаем заявляемого устрой-ское когерентное излучение; оно будет расстзэ является устройство, у которого опти-просграняться по оптическому волноводу 2.

чески прозрачный слой имеет постояннуюДля облегчения рассмотрения разобьем оп толщину, а его показатель преломления мо-тический волновод 2 условно на три области

нотонно увеличивается от первой «о второйЮ I, II и III (фиг. 1), где в I и II областяхоптичепэре металлических электродов.ский волновод представляет собой трехНа фиг. 1 изображена схема волновод-слойную волноводную структуру (фиг. 2), и

него преобразователя оптических мод; нахарактеристическое уравнение которого мофиг. 2 - распределение показателей пре-жет быть представлено в виде

ломления трехслойной волиоводной струк-15

туры; на фиг. 3 - графическое решениеWk Vnl - () - Фг4 - Фгз (1) характеристического уравнения для оптических волнооодных мод ТМ и ТЕ типов трех-при N 0,1,2,..., где

сложной полноводной структуры; на фиг. 4 - . ( (2)

распределение показателей преломления и .. I J

четырехсложной золноводной структуры; на, ../ „ «AJ

фиг. 5 - графическое решение характерней-Фгз arctg Ш/ьу - пЗ - (/kfj гШ)

ческого уравнения для оптических волно- водных мод ТМ и ТЕ типов четырехслойной

ас.юводной структуры; на фиг, 6 - графи-25 для оптической волны ТМ-типам где

ческие решения характеристических урав-$54 arctg{ n /k -

нений оптических волноводных мод ТМ и ТЕ/ r c/f/i/ i l IA

v/.no-з трехслойной и четырехслойной воло-/ Л31П2 (.j J, (4)

«y,. структур; на Фиг, 7 и 8 - графическиеФгз arctg )2 - г&у /

noujoiuip. характеристических уравнений on-30 / - $) I

ти-.,сг.к«1« волновсдных мод ТМ и ТЕ типовоптической волны ТЕ-типа, причем

трехслойной и чотырехслоинои волновод-N.. по вый ном k волно.

ных структур при приложении на металли-80е ЧИСло fk 2 я/А)

ческие электроды управляющихф набегфазы оптмческого КОгеРентпепрпжспия; на фиг. 9-10 - графическиеоЬ rj r

ойшечияхаоактеоистическихуравнвнийоп-НОГО излУчения на.границе раздела I и J

т,. полноводных мод ТМ и ТЕ типовслое П1 показатель преломления оптичетрохслойной и четырехслойной волновод-сш прозрачного слоя 3, п2-показатель препых структур при приложении на металли-ломления оптического волновода 2. пз ческиа электроды управляющих40 показатель преломления сегнетоэлектрическои подложки 1, П4 показатель преломлензиияжес.ии.. ...

Волноводный преобразователь оптиче-ния покровного слоя 4 W - глубина

скмх иод содержит сегнетоэлектрическую°п™ ского волновода 2, А-длина волны

подложку 1, оптический волновод 2, оптиче-оптического излучения в свободном проски прозозчный слой 3, покровный слой 4,45 странстве,

металлические электроды 5, металлическиеРешение характеристического уравнеэлектроды 6, оптический вход 7, оптическийния ™ «ля ™ ТЕ оптических волнооыход 8. Оптически прозрачный слой 3водкных мод ри0Ы 0) представлено

представляет собой прямоугольный парал-графически на фиг. 3, из графического решепелепипед, усеченный плоскостью, причем50 ния ВИДно, что при фиксированной толщине

секущая плоскость при пересечении с верх- оптического волновода 2 и при фиксиронсп плоскостью оптического волновода 2ванных значениях показателей преломлеобразует прямую, перпендикулярную на-ния п2, пз,П4, в области J и III по оптическому

правлению распространения оптическоговолноводу 2 могут распространяться оптиизлучения; Оптический вход 7 и оптический55 ческие 0ояны ТМ и ТЕ типа с постоянными

.выход 8 расположены соосно межэлектрод-Распространения # и 0 2 соответственным областям металлических электродов 5н0 ,,,.

и металлических электродов 6. ОптическиВ области II (фиг. 1) оптический волнопрозрачный слой 3 расположен на поверх- од 2 ПОКРЫТ оптически прозрачым слоем

ности оптического волновода 2 и заключен3- °™Рый представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью ABCD, причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода 2 образует прямую, перпендикулярную направлению распрост- ранения оптического излучения. В области II оптический волновод 2 представляет собой четырехслойную волноводную структуру, причем высота оптически прозрачного слоя 3 изменяется с изменением координэ- ты вдоль оси у (фиг. 1).

Распределение показателя преломления четырехслойной волноводной структуры (область II) в фиксированном сечении представлено на фиг,4;

Очевидно, что постоянные распространения /#1 оптических волн ТМ и ТЕ типов соответственно должны удовлетворять неравенству:

1(6)

kri2, /fc knaj

и в области II для четырехслойной волновод- ной структуры характеристическое уравнение при условии, что

kri2,/ , kr.3(7)

имеет вид

Hhi №т + arctg(luh4/hi) + + arctg/li2(ri2/ni)tgfarctg(l23ri3/h2) - Wrt2JV L(8) J

N 0,1.2rAeni2 k2m- $;

при

П22 - k202 - /Г

пз2

П42 /fc k2n42 ||j.; I ДЛЯТЕ-ВОЛН

m2/nj2 для ТМ-волн,

H - толщина оптически прозрачного слоя 3.

Решение характеристического уравнения (8) при N 0 и толщине оптического волновода 2. равной W, в областях i и IH представлено графически на фиг. 5.

На фиг. 6 совместно показаны графические решения характеристических уравне- ний (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной структуры соответственно. Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур (фиг. б) определяется толщина Hi оптически прозрачного слоя 3. при которой в данном оптическом волноводе 2 (область t1) будет существовать оптическая волноводная мода ТМ с постоянной распространения f$, равной постоянной распространения оптической волноводной моды ТМ типа трехслойной волноводной структуры (области i и III). При выполнении условия согласования постоянных распространения оптических

5

5

0

5

0

5

волноводных мод трехслойной еопнсводной структуры /3i и четырехслойной волноводной структуры (т.е. при В i fl i) оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (область I) преобразуется в оптическую полноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (из границе областей |.и II, фиг. 1) без энергетических потерь.

Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур (фиг. 6) следует, что при выбранной толщине Н, оптически прозрачного слоя 3 оптическая волноводная мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область } при переходе в четырехслойную волноводную структуру (область И, фиг. 1} преобразуется в оптическую излучательную моду, так как при фиксированной толщине Hi оптически прозрачного слоя 3 и постоянной распространения оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение (8) для четырехслойной волноводной структуры не имеет решения, поскольку оптические вол- новодные моды ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур не согласованы по постоянным распространения (т.е. ).

При распространении оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры от границы областей I, II к границе областей II. Ill (фиг. 1) с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3, постоянная распространения данной моды возрастает и на границе областей И, III при достижении значения постоянной распространения . fti оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, равной постоянной распространения fh. оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры, из решений характеристического уравнений (1) и (8) определяется толщина Нз оптического прозрачного слоя 3 (фиг. 6). При этом так как выполняется условие согласования постоянных распространения fh оптической волногюдной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры и р2 оптической воноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (т.е. /Зг /82), оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II) преобразуется в оптическую волноводную моду ТЕ-типа, трехслойной волноводной структуры (область III) на границе областей II, III без энергетических потерь.

Таким образом, на оптическом выходе 8 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТЕ-поляризации,

. Подадим на металлические электроды 5 управляющее напряжение 1Н такой полярности, чтобы участок оптического волновода 2, заключенный в межэлектродной области металлических электродов 5, изменил показатель преломления в сторону уменьшения за счет электрооптического эффекта по закону:

Дп -1/2 П П23Ег, .(9)

где Ег компонента напряженности электрического поля вдоль оси z,

П - компонента электрооптического тензора.

В результате уменьшаются постоянные распространения f и {$ г оптических волноводных мод ТМ и ТЕ-типов соответственно трехслойной волноводной структуры на величину

Дв Ап22лг/А,,.(10)

Величина прикладываемого управляющего напряжения Ut определяется из уравнений (Э), (10) и должна удовлетворять условию, что изменение постоянной распространения JJ2 оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры на величину Ар (под действием электрооптического эффекта), равную

Pz-p 1/.(11)

В этом случае оптическая волноводная мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры на границе областей 1-й II (фиг. 1) преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, т.к. выполняется условие согласования постоянных распространения данных оптических волноводных мод.т.е. (фиг. 7):

(#-/3i)0 ..(12)

Таким образом, в области 11 (фиг. 1) четырехслойной волноводной структуры от границы областей I и И будет распространяться оптическая волиоводная мода ТМ- типа.

Оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры при данном приложенном управляющем напряжении Ui к металлическим электродам 5, будет иметь на границе раздела областей I и I постоянную распространения ( ), и при переходе в четырехслой- ную волноводную структуру (область II, фиг. 1) будет преобразовываться в оптическую излучательную моду, т.к. не выполняется условие согласования пи постоянным распространения оптической волноводной моды ТМ-типа трехслойной волноводной структуры и оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Hi оптически прозрачного слоя 3 (т.е. -Л/3 ) (фиг. 7).

Рассмотрим случай подачи управляющего напряжения U2 на металлические элек- троды 4 такой полярности, чтобы

0 оптический волновод 2, заключенный вмеж- электодной области металлических электродов 5. изменил показатель преломления в сторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону:

5Лп + 1/2гц.П23Ег.(13)

В результате увеличиваются постоянные распространения и fi г оптических волноводных мод ТМ и ТЕ типов соответственно трехслойной волноводной структуры

0 на величину Д@, определяемую выражением (10). В связи с этим происходят преобразования как оптической волноводной моды ТМ-типэ, так и ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область 1, фиг. 1) в опти5 ческиеизлучательныемоды

четырехслойиой волноводной структуры (область II, фиг. 1) на границе областей I и II, т.к. не выполняются условия согласования по постоянным распространения оптиче0 ских волноводных мод ТМ и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры (область I) и оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Hi

5 оптически прозрачного слоя 3 (т.е.

) + ZJ3. y3f # + $ ) (фиг. 8).

Таким образом, прикладывая к металлическим электродам 5 управляющее напря- жение необходимой величины и полярности возможно оптические волноводные моды ТМ и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры на границе областей I и II преобразовывать либо в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II, фиг. 1), либо в оптические иэлучательные моды четырехслойной волноводной структуры (область II, фиг. 1, что говорит не только о возможности конверсии мод. но и о йозможности амплитудной модуляции.

Следовательно, при фиксированной толщине Hi оптически прозрачного слоя 3 (фиг. 1) в четырехслойной волноводной

структуре (область II) будет распространять- ся оптическая волноводная ТМ-типэ, и с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3 будет возрастать значение постоянной распространения данной оптической моды, и при толщине Н2 оптически прозрач5

0

ного слоя 3 значение постоянной распространения этой оптической моды будет равно

#.

Подадим на металлические электроды 6 управляющее напряжение такой полярности, чтобы оптический волновод 2, заключенный в межэлектродной области металлических электродов б изменил показатель преломления в сторону уменьшения за счет электрооптического эффекта по закону (9).

8 результате уменьшаются постоянные распространения оптических вол- новодных мод ТМ и ТЕ-типов соответственно трехслойной волноводной структуры (область III) на величину {ф, определяемую выражением (10).

В связи с этим оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II) на границе областей II, III преобразуется в оптические излучательные моды трехслойной волноводной структуры (область III), т.к. постоянная распространения /% оптической волноводной моды четырехслойной волноводной структуры (область II) не удовлетворяет условию согласования постоянных распространения трех- и четырехслойных волноводных структур(т.е.

/Јэ# $ $ - ) (фиг. 9).

Рассмотрим случай подачи управляющего напряжения 1М на металлические элек- троды 6 такой полярности, чтобы оптический волновод 2, заключенный в межэлектродной области металлических электродов б, изменил показатель преломления в сторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону (13).

8 результате увеличиваются постоянные распространения и 0 г оптических волноводных мод ТМ и ТЕ типов соответственно трехслойной волноводной структуры на величину , определяемую выражением (10).

Величина прикладываемого управляющего напряжения 1М определяется из уравнений (9) и (10) и должна удовлетворять условию, что постоянная рапространения )01 оптической волноводной моды ТМ-типа трехрлойной волноводной стоуктуры должна изменяться на величину /уцпод действием электрооптического эффекта), равную 4 /Ј2-/ 1/.(14)

В этом случае оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область II. фиг. 1) на границе областей II и HI преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа трехслойного волноводного слоя (область III), т.к. выпол0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

няется услорие со лгю. гшг.гояниых распространения донных оптических полноводных мод, т.е. (фиг. Ш):

(/М (15)

Исходя из вышеизложенного, легко рассмотреть работу предлагаемого устройства при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6.

Функциональные возможности полноводного преобразователя оптических мод при одновременной подаче управляющих напряжений ча металлические электроды 5 и металлические электроды 6 при различных комбинациях состояния поляризации оптического когерентного излучения на оптическом входб 7 представлены в тябл. 1.

Из рассмотренной выше теории следует, что подаче оптического когерентного излучения различных комбинаций состояния поляризации на оптический выход 8 предлагаемое устройство при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды б будет функционировать как показано в табл. 2.

Из вышеизложенного следует, что при подаче на металлические электроды 5 управляющего напряжения и, удовлетворяющего условию

,(16)

и при одновременной подаче на металлические электроды б управляющего напряжения О. удовлетворяющего условию:

U3 (17)

предлагаемое устройство будет функционировать либо как аналоговый амплитудный модулятор, либо как аналоговый поляризационный модулятор оптического излучения, в зависимости от комбинации приложенных управляющих напряжений к металлическим электродам 5 и металлическим электродам 6.

Частным случаем предлагаемого устройства является устройство, у которого оптически прозрачный слой 3 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с градиентом показателя преломления вдоль направления распространения оптического когерентного излучения, причем наименьший показатель преломления этого с/юя должен быть больше показателя преломления оптического волновода 2. Очевидно, что значения показателей преломления оптически прозрачного слоя 3. необходимые для эффективного функционирования заявляемого устройства, определяются из решений характеристических уравнений трехслойной и четырехслойной волноводных структур.

Из рассмотренной выше теории следует, что эффективность работы предлагаемого устройства, т.е. эффективность преобразования оптических волноводных мод, не зависит ни от длины металлических электродов 5 и 6, ни от длины L оптически прозрачного слоя 3, что обусловлено тем, что межмодовые взаимодействия происходят на расстояниях, порядка длины волны оптического когерентного излучения.

Рассмотрение работы предлагаемого устройства в качестве примера проводилось для пленарного оптического волновода. Очевидно, что при замене характеристических уравнений (1) и (8) на характеристические уравнения, соответствующие параметрам оптических волноводов любого типа, данная теория будет справедлива.

В качестве сегнетоэлектрической подложки 1 можно использовать монокристалл ниобата лития X (или Y) среза, в котором методом термодиффузии титана сформирован оптический волновод 2, технологические режимы изготовления которого удовлетворяют условию существования в оптическом волноводе 2 одной ТЕ и одной Ш оптической волноводной моды, при заданном значении длины волны оптического когерентного излучения (длина волны оптического когерентного излучения Я 0,85 мкм; толщина пленки титана 250 А, время диффузии 7 часов, температура диффузии Т 1000°С). На поверхности оптического волновода 2 расположен оптически прозрачный слой 3, сформированный методом термического вакуумного испарения селе- ноида мышьяка (Аз23ез. ni 2,5, L 1000 мкм, Hi 0,15 мкм, ,18мкм), На поверхности оптического волновода 2 расположе- ны металлические электроды 5 и 6 из алюминия, изготовленные методом жидкостной фотолитографии (ширина электрода

20 мкм, зазор между электродами 7 мкм, длина электродов 1000 мкм, толщина 0,2 мкм). В качестве покровного слоя 4 может быть применена любая оптическая прозрачмая среда с показателем преломления, меньшим, чем показатель преломления оптического волновода 2, в нашем случае - воздух.

Формула изобретения

1. Волноводный управляемый преобразователь оптических мод, содержащий сег- нетоэлектрическую подложку с оптическим волноводом, устройства ввода-вывода излучения и первую пару металлических электродов, над которыми расположен покровный слой, отличающийся тем, что. с целью расширения функциональных возможностей, увеличения быстродействия и снижения габаритов, он дополнительно

содержит вторую пару металлических электродов, межэлектродная область которой соосно с межэлектродной областью первой пары металлических электродов, а также с устройствами ввода-вывода излучения,

между парами электродов на поверхности волноводного слоя расположен оптически прозрачный слой длиной, необходимой для установления волноводного режима под оптически прозрачным слоем, с показателем

преломления, большим показателя преломления оптического волновода, причем оптически прозрачный слой не является вол но водным при данной длине волны оптического излучения, а его толщина монотонко увеличивается в пространстве от первой к второй паре металлических электродов.

2. Преобразовательно п.1,отл ичаю- щ и и с я тем, что оптически прозрачный слой имеет постоянную толщину, а его показатель преломления монотонно увеличивает ся от первой к второй паре металлических электродов.

ы

л

П2

.-V

Пз

П4

1829021 W

И

Область применения: оптическая обработка информации, в частности к устройствам интегральной оптики, может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи. Сущность изобретения: сегнетозлектрическая подложка с оптическим волноводом и двумя парами металлических электродов, межэлектродные области которых соосны оптическому входу и оптическому выходу. Оптически прозрачный слой с показателем преломления большим, чем показатель преломления оптического волновода, расположен на поверхности оптического йолновода между первыми и вторыми металлическими электродами под покровным слоем и представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью, которая при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического когерентного излучения, 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

Фиг.2

Л

Ш

ЧЬ

rUrl

ч/

Пъ.

т

Фиг. 4

/ / /

Фиг. 6

ШТЕТМТЕ

&ИГ.З

Ц

X

Фиг.5

f

Фиг. 8

ГОШЕ

HW

W

1Ь

и,

// А

Фиг.10

/