ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР Советский патент 1995 года по МПК G02B6/04 

Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в системах оптической обработки и преобразования информации в качестве поляризатора оптического излучения.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, уменьшение оптических потерь и минимизация устройства.

На фиг.1 изображена схема интегрально-оптического поляризатора; на фиг.2 распределение показателей преломления трехслойной волноводной структуры; на фиг. 3 графическое решение характеристического уравнения для оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры; на фиг.4 распределение показателей преломления четырехслойной волноводной структуры; на фиг. 5 графическое решение характеристического уравнения для оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов четырехслойной волноводной структуры; на фиг.6 графическое решения характеристических уравнений оптических волноводных мод ТМ- и ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур.

Интегрально-оптический поляризатор содержит оптически прозрачную пластину 1, оптический волновод 2, оптически прозрачный слой 3, покровный слой 4, оптический вход 5, оптический выход 6, причем оптический волновод 2 в областях I и III представляет собой трехслойную волноводную структуру, а в области II четырехслойную волноводную структуру. Кроме того, оптически прозрачный слой 3 представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью. Секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода 2 образует прямую, перпендикулярно направлению распространения оптического излучения.

В качестве оптически прозрачной пластины 1 можно использовать стекло типа К-8, в котором методом термодиффузии калия из расплава соли KNO₃ сформирован оптический волновод 2, технологический режим изготовления которого удовлетворяет условию существования в оптическом волноводе 2 одной ТЕ и одной ТМ моды при заданном значении длины волны оптического излучения. На поверхности оптического волновода 2 расположен оптически прозрачный слой 3, сформированный методом термического вакуумного испарения, например, сульфида цинка (ZnS, n₃ 2,20), причем оптически прозрачный слой 3 должен иметь показатель преломления выше, чем показатель преломления оптического волновода 2. В качестве покровного слоя 4 может быть применена любая оптически прозрачная среда с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления оптического волновода 2, например воздух.

Рассмотрим работу интегрально-оптического поляризатора (фиг.1). Подадим на оптический вход 5 оптическое когерентное излучение; оно будет распространяться по оптическому волноводу 2. Для облегчения рассмотрения разобъем оптический волновод 2 условно на три области (фиг.1), где в I и III областях оптический волновод 2 представляет собой трехслойную волноводную структуру (фиг. 2), и характеристическое уравнение которого может быть представлено в виде:
Wk -Ф₂₄-Ф₂₃=πN
(1) при N 0, 1, 2. где Ф₂₄=arctg{[(β / k )² n₄^21/2 / [ n₂² β / k )^21/2, (2)
Ф₂₃= arctg{ [(β / k )² n₃^21/2 / [ n₂² β / k )^21/2, (3) для оптической волны ТМ-типа и
Ф₂₄=arctg{n₂²[(β / k )² n₄^21/2 n₄² [ n₂² β / k )^21/2, (4)
Ф₂₃=arctg{n²₂[(β / k )² n₃^21/2 / n₃² [ n₂² β / k )^21/2,
(5) для оптической волны ТЕ-типа;
n₁ показатель преломления оптически прозрачного слоя 3;
n₂ показатель преломления оптического волновода 2;
n₃ показатель преломления оптически прозрачной пластины 1;
n₄ показатель преломления покровного слоя 4;
β постоянная распространения оптического излучения;
W глубина оптического волновода 2;
k волновое число (k 2 / π / λ);
λ длина волны оптического излучения в свободном пространстве.

Решение характеристического уравнения (1) для ТМ- и ТЕ-типов оптических волн представлено графически на фиг.3. Из графического решения видно, что при фиксированной толщине W оптического волновода 2 и при фиксированных значениях показателей преломления n₂, n₃, n₄ в областях I и III по оптическому волноводу 2 могут распространяться оптические волны ТМ- и ТЕ-типа с постоянными распространения β₁ и β₂соответственно.

В области II (фиг.1) оптический волновод 2 покрыт оптически прозрачным слоем 3, который представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью ABCD, причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода 2 образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического излучения. В области II оптический волновод 2 представляет собой четырехслойную волноводную структуру, причем высота оптически прозрачного слоя 3 изменяется с изменением координаты на оси Х (фиг. 1).

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

Очевидно, что постоянные распространения β₁ и β₂ оптических волн ТМ- и ТЕ-типов соответственно должны удовлетворять неравенству
kn₂ ≥ β₁ ≥ kn₃
kn₂ ≥ β₂ ≥ kn₃ (6) и в области II для четырехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение при условии, что
kn₂ ≥ β ≥ kn₃ (7) имеет вид
Hh₄ N π + arctg(I₁₄h₄/h₄)+
+ arctg{I₁₂(h₂/h₁)tg[arctg(I₂₃h₃/h₂)
Wh₂] (8) при N 0, 1, 2. где h₁² k²n² β²;
h₂² k²n₂² β²
h₃² β² k²n₃²;
h₄² β² k²n₄²,
I_ij= где Н толщина оптически прозрачного слоя 3.

Решение характеристического уравнения (8) при N 0 и толщине оптического волновода 2, равной W₁, в областях I и III представлено графически на фиг.5. На фиг.6 совместно показаны графические решения характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной структур соответственно. Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур (фиг.6) определяется толщина Н₁ оптически прозрачного слоя 3, при которой в данном оптическом волноводе 2 (область II) будет существовать волноводная мода ТМ-типа с постоянной распространения β₁^*, равной постоянной распространения β₁ оптической волноводной моды ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (области I и III). При выполнении условия согласования постоянных распространения оптической волноводной моды трехслойной волноводной структуры β₁ и четырехслойной волноводной структуры β₁^* (т.е. при β ₁^* β₁) оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (область I) преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (на границе областей I 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 Н₁ оптически прозрачного слоя 3 оптическая волноводная мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область I) при переходе в четырехслойную волноводную структуру (область II, фиг.1) преобразуется в оптическую излучательную моду, т.к. при фиксированной толщине Н₁ оптически прозрачного слоя 3 и постоянной распространения β₂оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение (8) для четырехслойной волноводной структуры не имеет решения, поскольку оптические волноводные моды ТЕ-типов трехслойной и четырехслойной волноводных структур не согласованы по постоянным распространения (т.е. β₁^*= β ₂).

При распространении оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры от границы областей I к II к границе областей II и III (фиг. 1) с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3 постоянная распространения данной моды возрастает и на границе областей II и III при достижении значения постоянной распространения β₂^* оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, равной постоянной распространения β₂ оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры, из решений характеристических уравнений (1) и (8) определяется толщиной Н₂оптически прозрачного слоя 3 (фиг.6). При этом, т.к. выполняется условие согласования постоянных распространения β₂^* оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры и β₂ оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (т.е. β₂^* β₂), 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 и III без энергетических потерь.

Предлагаемое устройство выполняет следующие функции:
1) поляризация оптического излучения,
а) при подаче оптического когерентного излучения, поляризованного по кругу, на оптический выход 5 и распространения оптического когерентного излучения из области I в область III (фиг.1) на оптическом выходе 6 устройства будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТЕ-поляризации;
б) при подаче оптического когерентного излучения, поляризованного по кругу, на оптический выход 6 и распространении оптического когерентного излучения из области I (фиг.1) на оптическом входе 5 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТМ-поляризации;
2) конверсия оптической волноводной моды:
a) при возбуждении оптической волноводной моды ТМ-типа в области I посредством подачи на оптический вход 5 оптического когерентного излучения линейной поляризации на оптическом выходе 6 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТЕ-поляризации;
б) при возбуждении оптической волноводной моды ТЕ-типа в области III посредством подачи на оптический выход 6 оптического когерентного излучения линейной поляризации на оптическом входе 5 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТМ-поляризации.

Из вышеизложенного следует, что эффективность преобразования оптических волноводных мод в предлагаемом устройстве не зависит от длины L оптически прозрачного слоя 3 (фиг.1), а зависит от величины Н₁ и Н₂оптически прозрачного слоя 3 для фиксированных значений показателей преломления n₁, n₂, n₃, n₄ (фиг. 1), что позволяет минимизировать геометрические размеры предлагаемого устройства.

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

Изготовленный интегрально-оптический поляризатор на основе ионно-обменного одномодового планарного волновода в подложке из стекла К-8 с оптически прозрачным слоем из сульфида цинка (ZnS) обладал величиной развязки оптических волноводных ортогональных мод, равной 30 дБ при величине оптических потерь проходящей оптической волноводной моды 1,5 дБ (при длине волны оптического когерентного излучения λ_o 0,6328 мкм) и длине устройства, равной 3 мм.

В предлагаемом устройстве оптически прозрачный слой 3 может быть выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с показателем преломления, увеличивающимся вдоль направления распространения оптического когерентного излучения, причем наименьший показатель преломления этого слоя должен быть больше показателя преломления оптического волновода 2.

Очевидно, что значения показателей преломления оптически прозрачного слоя 3, необходимых для эффективного функционирования заявляемого устройства, определяются из решений характеристических уравнений трехслойной и четырехслойной волноводных структур.

Использование: интегральная оптика для использования в системах оптической обработки и преобразования информации в качестве поляризатора оптического излучения. Сущность: поляризатор включает оптически прозрачную пластину с оптическим волноводом, на котором расположен оптически прозрачный слой с показателем преломления большим, чем показатель преломления оптического волновода, между оптическим входом и оптическим выходом. Прозрачный слой, представляющий собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью, которая при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического когерентного излучения. 6 ил.

ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР, содержащий оптически прозрачную пластину с оптическим волноводом, на котором расположен оптически прозрачный слой, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, уменьшения оптических потерь и уменьшения габаритов, оптически прозрачный слой имеет длину, достаточную для установления волноводного режима под оптически прозрачным слоем, и показатель преломления больше показателя преломления оптического волновода, оптически прозрачный слой выполнен неволноводным для данной длины волны оптического излучения и имеет переменную толщину в направлении распространения оптического излучения или постоянную толщину с показателем преломления, увеличивающимся в направлении распространения оптического излучения.