Интегрально-оптический поляризатор

(19) Я 16 СОХ РЕТЕН тельству СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)(71) Кубанский государственный университет (72) Воеводин АА; Гладкий В.ПЯковенко НА (56) Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир. 1984, с.512.Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология. М.: Мир. 1985, с 27-43.(57) Использование: интегральная оптика для использования в системах оптической обработки и преобразования информации в качестве поляри 1 ц 1829 бб 9 (1 з) А 1 затора 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 вопновода между оптическим входом и оптическим выходом. Прозрачный слой, представляющий собой прямоугольным параллелепипед усеченный плоскостью, которая при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического когерентного излучения. 6 ил.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 волно-. водных 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 волноводн ых 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 1 и 111 представляет собой трехслойную волноводную структуру, а в области П - 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, в котором методом термодиффузии калия из расплава соли КМОз 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 ЕПЯ, пз - 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 5 оптического волновода 2, например воздух.Рассмотрим работу интегрально-оптического поляризатора (фиг.1). Подадим на оптический вход 5 оптическое когерентное излучение; оно будет распространяться по 10 оптическому волноводу 2. Для облегчениярассмотрения разобъем оптический волновод 2 условно на три области (фиг.1), где в 1 и 111 областях оптический волновод 2 представляет собой трехслойную волноводную 15 структуру (фиг,2), и характеристическоеуравнение которого может быть представлено в виде:20 1.1, : и (Р/1,) ф Р :Иг гг 4 гзпри М =О, 1,2,25гДе Ф 24=(5)для оптической волны ТЕ-типа;40 и - показатель преломления оптическипрозрачного слоя 3;п 2 - показатель преломления оптического волновода 2;пз - показатель преломления оптически 45 прозрачной пластины 1;п 4 - показатель преломления покровного слоя 4;3- постоянная распространения оптического излучения;ЧЧ - глубина оптического волновода 2;1 с - волновое число (с = 2 / яЯ);А - длина волны оптического излученияв свободном пространстве,Решение характеристического уравнения (1) для ТМ- и ТЕ-типов оптических волнпредставлено графически на фиг.3. Из графического решения видно, что при фиксированной толщине О/ оптического волновода 2и при фиксированных значениях показателей преломления п 2, пз. п 4 в областях и 11(7) по оптическому волноводу 2 могут распространяться оптические волны ТМ- и ТЕ-типа с постоянными распространениями ирг соответственно.В области И (фиг.1) оптический волновод 2 покрыт оптически прозрачным слоем 3, который представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью АВСО, причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью оптического волновода 2 образует прямую, перпендикулярную направлению распространения оптического излучения. В области И 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 И) в фиксированном сечении представлено на фиг.4.Очевидно, что постоянные распространения ф 1 иД оптических волн ТМ- и ТЕ-типов соответственно должны удовлетворять неравенству и в области 11 для четырехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение при условии, что имеет видНЬ 4 = ч л+ агс 1914 Ь 4/Ь 4)+- В/Ьг) (8)при 8=0,1,2,гДе Ь 1 =К и - фгг = 1 Рпгг - ф:з 2 У гпз,Ь 4 =ф - 1 п 4,1 для ТЕ-волн1 11 2 2 и /и для ТМ-волн1 где Н - толщина оптически прозрачного слоя 3,Решение характеристического уравнения (8) при ч = 0 и толщине оптического волновода 2, равной ЧЧ 1, в областях 1 и 1 И представлено графически на фиг.5. На фиг.6 совместно показаны графические решения характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной, структур со 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ответственно. Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной волноводных структур (фиг.б) определяется толщина Н 1 оптически прозрачного слоя 3, при которой в данном оптическом волноводе 2 (область И) будет существовать волноводная мода ТМ-типа с постоянной распространения Р 1, равной постоянной распространения Р 1 оптической волноводной моды ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (области 1 и Ш). При выполнении условия согласования постоянных распространения оптической волноводной моды трехслойной волноводной структуры Р и четырехслойной волноводной структуры ф 1 (т.е, при Р 1 = В 1) оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры (область 1) преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (на границе областей 1 и И, 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 1) при переходе в четырехслойную волноводную структуру (область 1, фиг.1) преобразуется в оптическую излучательную моду, т,к. при фиксированной толщине Н 1 оптически прозрачного слоя 3 и постоянной распространения Ъ оптической 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. р 1= фг),При распространении оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры от границы областей 1 к И к границе областей И и 1 И (фиг.1) с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3 постоянная распространения данной моды возрастает и на границе областей И и Ипри достижении значения постоянной распространения Д оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, равной постоянной распространения Д оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры, из решений характеристических уравнений (1) и (8) определя1829669 45 50 55 ется толщиной Нг оптически прозрачного слоя 3 (фиг.б), При этом, т.к. выполняется условие согласования постоянных распространения % оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры и Д оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (т.е. 32 - Д), оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область ) преобразуется в оптическую волноводную моду ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры (область ) на границе областейибеэ 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 иэ областив область(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(фиг.1) на оптическом входе 5 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТМ-поляризации;2) конверсия оптической волноводной моды;а) при возбуждении оптической волноводной моды ТМ-типа в областипосредством 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 областипосредством подачи на оптический выход 6 оптического когерентного излучения линейной поляризации на оптическом входе 5 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТМ-поляризации. Формула изобретения ИНТЕ ГРАЛЪНО-ОПТИЧЕС- КИЙ ПОЛЯРИЗАТОР, содержащий оптически прозрачную пластину с оптическим волноводом, на котором расположен оптически прозрачный слой, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, уменьшения оп 5 10 15 20 25 30 35 40 Из вышеизложенного следует, что эффективность преобразования оптических волноводных мод в предлагаемом устройстве не зависит отдлиныоптически прозрачного слоя 3 (фиг.1), а зависит от величины Н 1 и Нг оптически прозрачного слоя 3 для фиксированных значений показателей преломления п, п 2, пз, п 4 (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 иэ стекла Кс оптически прозрачным слоем из сульфида цинка (ЕпЯ) 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 Л = 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,тических 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 неволновод10 1829669Йиг ным для данной длины волны оптиче- ную толщину с показателем преломлеского излучения и имеет переменную ния, увеличивающимся в направлении толщину в направлении распрострэне- распространения оптического излучения. ния оптического излучения или постоян1829669 Тк фиг.5 Фиг.4 эктор М.К орректор Е.Пап в аэ 28 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго га об гФиг.б Составитель В,ГладкийТехред М.Моргентал Тирак Подписное НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5