Электрооптическое коммутирующее устройство Советский патент 1977 года по МПК G02F1/31 

(54) ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОЕ КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

1

Изобретение относится к интегральной оптике, в частности к устройствам отклонения светового луча и может быть использовано в оптических вычислительных машинах и в технике оптической волоконной связи.

в связи с разработкой оптических вычислительных, машин и оптических линий связи по$шилась необходимость в оптических коммутирующих устройствах. Эти устройства должны обладать высоким быстродействием (гигагерцы) и высокой коммутирующей способностью (десятки и сотни положений).

Известно оптическое коммутирующее

устройство, выполненное в виде призмы из электрооптического материала, на боковые грани которой нанесена система пилообразных электродов 13 . При создании электрического поля между электродами меняется показатель преломления материала призмы и возникает периодическая фазовая решетка, на которой происходит дифракция светового луча. Разрещаюшая способность такого устройства относительно невелика.

Другое известное оптическое коммутирующее устройство использует явление взаимодействия света с акустическими волнами.

У стройство состоит из тонкопленочного оптического волновода, сформированного на поверхности пьезоэлектрического кристалла, и нанесенных поверх волновода параллельных электродов. Электроды ориентированы вдоль направления распространения света, но находятся в стороне от пути прохождения луча 2 .

Под воздействием переменного электрического поля электродов в волноводе возбуждаются звуковые волны. Периодически изменяющееся в пространстве волновода акустическое давление модулирует значение показателя преломления материала: в волноводе формируется объемная фазовая дифракционная решетка. Падающий под углом к направлению распространения звуковых волн свет дифрагирует на периодических вариациях показателя преломления материала. С изменением частоты электрического поля изменяется период дифракционной решетки, тем самым достигается отклонение луча света на различный угол. Это устройство обладает высокой коммутшзующей спсхюбностью, достигающей нескольких разрешимых положений луча, но для переключения луча света из одного положения в другое требуются единицы и де сятки микросекунд. Прототипом предлагаемого электрооптического коммутирующего .устройства является известная электрооптическая переменная фазовая дифракционная решетка, пре назначенная для модуляции оптического излучения З . Это устройство представляет собой тон- копленочный волновод на подложке с нанесенными поверх его электродами гребенча«вого типа. При приложении электрического напряжения к гребенчатым электродам вектор напряженности электрического поля меняет свое направление в соседних парах зубьев. В соответствии с изменениями направления вектора напряженности электрического поля изменяется и показатель пре- ломлек я кристалла. Таким образом, в волноводе формируется объемная фазовая дифракционная решетка с глубиной модуляции показателя преломления, пропорциональной при.11оженному напряжению. Свет, расугространяюшийся в волноводе, проходит через дифракционную решетку и дифрагирует на йей, причем интенсивность отклоненного пучка модулируется в соответствии с изменениями электрического напряжения. При некотором электрическом напряжении падающее на устройство излучение дифрагирует со 100% эффективностью - происходит пе ключение света из одного углового положе в другое. Это устройство имеет ряд достоинств, наиболее важным из которых я&ляется малое управляющее напряжение. Однако оно и ет существенный недостаток: луч света может отклоняться только на два угловых положения. Для обеспечения коммутации луча света в N 2 параллельно смещенных положений предлагаемое устройство содержит р из к последовательно расположенных груп электродов, причем каждая группа включпет в себя две одинаковые системы гребё чатых электродов, а расстояния между группами подчинены закону геометрической прогрессии. На чертеже изображено предлагаемое устройство, позволяющее осуществлять мно гократный параллельный перенос луча света. Устройство состоит из подложки 1, оптического тонкопленочного волновода 2, выполненного из электрооптического материала, например из L i J b О , и нанесенного .на поверхность волновода ряда последовательно расположенных парных электродов 3. Парные электроды 3 представляют собой пару одинаковых гребенчатых электродов. Расстояние между груп-в пами гребенчатых элект:родов, составляющих пару, подчинено закону геометрической прогрессии. Устройство работает следующим образом. Коммутируемый луч света, распространяющийся в волноводе, падает под углом Брэгга Q к зубьям первого гребенчатого электрода, входящего в парный электрод устройства. Если электрическое напряжение к парному электроду не приложено, то луч света распространяется без каких-либо изменений.. При приложении электрического напряжения к парному электроду коммутируемый луч света испытывает дифракцию, как на дифракционной решетке, . сформированной под первым гребенчатым электродом пары, так и на дифракционной решетке, создающейся под вторым гребенчатым электродом пары. Так как зубья всех гребенчатых электродов параллельны между собой, то дифрагированный на первой дифракционной решетке пары луч света падает на вторую дифра щионную решетку под углом, равным 0 . Поэтому после прохождения парного электрода луч света смещается только параллельно самому себе на величину д /определяемую выражением 4 После любого парного электрода число возможных положений коммутации луча удваивается, то есть ряд последовательно расположенных к парных электродов переключает луч в N 2 параллельно смещенных положения. Таким образом, предлагаемое электрооптическое коммутирующее устройство, сохраняя быстродействие, свойственное прототипу (достигающее частот в несколько гигагерц) позволяет переключать луч света в N 2 параллельно смещенных положения. При достигнутом уровне техники фотолитографии минимальное напряжение, управляюшее работой устройства, лежит в пределах 5-20 В для оптического волновода, сформированного в кристалле L NbO . Максимальное число параллельно смещенных положений луча света равно N/ 2 00 Л при Л 0,1 мм)., Изменив соответствующим образом значения расстояний, L или периода гребенчатых