Волноводный модулятор света

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) 1 03 51)5 0 ИДЕТЕЛ ЬСТВУ СКОМУ А глубин уменьш Су фиг.1 - 3 Наенном нятя об начени рическ подлож ки,4 -эле хност- оп ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Ленинградский политехнический институт им.М,И.Калинина(54) ВОЛНОВОДНЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА (57) Использование: интегральная оптика, в оптических системах обработки информа ции.для модуляции интенсивности световь 1 х пучков или выполнения логических операций, Сущность: модулятор снабжен двумя высокоотражающими зеркалами, образующими резонатор Фабри-Перо, фотохромный 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 иэ 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 расположенныи 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 дополни- Б тельный 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 д модулятор в качестве логического элемента ОО И, поскольку состояние высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только при одновременном обесцвечивании двух фотохромных несущих слоев, 2 э.п,ф.лы, 3 ил. Сд 1 модуляции при одновремении внесенных потерь.щность изобретения пояс фиг,1 а,б приняты следующ я: 1 - плоскопараллельная я подложка, 2 - первая пов ки, 3 - вторая поверхность первый волноводный слой,ческий изолирующий слой, 6 - высокоотражающее зеркало, 7 - рабочая зона, 8 - источник квазимонохроматического коллимированного управляемого излучения с длиной волны А 9 - средство для возбуждения в волноводе каналируемого квазимонохроматического управляющего излучения с длиной волны А вНа фиг,2 а,б и фиг,З обозначены: 10 - второй волновцднь 1 й слой, 11 - средство для вывода управляющего излучения из волновода в подложку, 12 - дополнительный волноводный слой, 13 - дополнительное средство для возбукдения в дополнительном волноводе каналируемого квазимонохроматического управляющего излучения,На первой поверхности 2 плоскопараллельной диэлектрической подложки 1 имеется первый волноводный слой 4, выполненный из фотохромного или фоторефрактивного 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 высокоотракающее зеркало 6. Симметрично с ним на второй поверхности 3 подложки 1 расположено второе высокоотракающее зеркало 6". С помощью средства 9 в первом волноводном слое 4 возбуждается каналируемое управляющее излучение, Средство 9 содержит источник квазимонохроматического управляющего излучения, элементы связи с первым волноводным слоем и средство для изменения интенсивности 1 е 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 разонатора выбраны по соотношениюбоп(г)бг: ис/2(1). где гп - целое чИсло; с 10 - расстояние между высокоотражающими зеркалами, п(г) - профиль показателя преломления внутрирезонаторной среды вдоль нормали к зеркалам в состоянии высокого пропускания резонатора.Подложка 1 выполнена из материала, прозрачного по крайней мере на длине волны с. Оптический изолирующий слой выполнен из материала, прозрачного для излучения с длинами волн Л о, Л с, с показателем преломления впи, где птах - показа 50 55 каналирует две группы мод: моды, имеющие эффективный показатель преломления Кппг 1 и локализованные, в основном, в первом волноводном слое, и моды с Мп)пг 1; локализованные, в основном, во втором волноводном слое, Средство 11 выполнено, например, в виде гофрированного участка поверхности второго волноводного слоя, смежной с оптическим изолирующим слоем, причем период Л гофрировки выбран по соотношению тель преломления первого волноводногослоя. Высокоотражающие зеркала выполнены, например, в виде металлических пленок.В случае фотохромного волноводного слояуправляемое излучение может быть окрашивающим, а управляющее - обесцвечивающим. В этом случае средство 9обеспечивает по крайней мере два состояния интенсивности 1. В одном из них(состо"0 яние ДА) отношение 1 о к интенсивности 1,таково,. что в области рабочей зоны волноводного слоя скорость обесцвечивания фотохромного материала превышает скоростьокрашивания. В другом состоянии (состоя 15 ние НЕТ) отношениев/1 с таково, что скоро-.сть обесцвечивания меньше скоростиокрашивания. В случае фоторефрактивноговолноводного слоя управляемое излучениеявляется неактиничным, а управляющее -20 актиничным. В этом случае средство 9 такжеобеспечивает по крайней мере два указанных состояния интенсивности 1. В одном изних выполняется соотношение (1), а в другом осуществляется расстройка резонанс 25 ного условия (1) на величину порядкаполуширины аппаратной функции разонатора,Модулятор, показанный на фиг.1,б отличается от модулятора на фиг,1 а лишь тем,30 что одно из зеркал расположено на первойповерхности подложки, а между этим зеркалом и волноводным слоей имеется второйоптический изолирующий слой.Модулятор, изображенный на фиг.2 а,б35 отличается от модулятора на фиг,1 а,б лишьтем, что между первым зеркалом 6 и первым волноводным слоем 4 имеется второйволноводный слой 10, рабочая зона которого снабжена. средством 11 для вывода излу 40 чения из волновода в подложку, причемзеркала 6 выполнены высокоотражающимикак для управляемого, так и управляющегоизлучения, Первый волноводный слой выполнен из фотохромного материала с пока 45 зателем преломления пц. Второйволноводный слой 10 выполнен из прозрачного для управляемого и управляющего излучения материала с показаталемпреломления пг 2 пц, Составной волновод5 10 15 20 25 30 будет приводить к увеличению максималь.35 ного пропускания резонатора и к уменьшению минимального пропускания, т.е, к 40 50 Л= Л в(Йгп, (2)где Й - эффективный показатель преломления рабочей моды, Ипц. а высота гофраизвестным методом выполнена возрастающей по ходу направляемой волны и обеспечивающей равномерное распределениеплотности мощности управляющего излучения по сечению выведенного в подложкупучка,Модулятор, показанный на фиг.3, отличается от модулятора на фиг.1 б лишь тем,что между второй поверхностью 3 подлокки1 и зеркалом 6" имеются дополнительныйволноводный слой 12 и оптические изолирующие слои 5, а модулятор снабжен дополнительным средством 13 для возбуждения вдополнительном волноводе каналируемогоквазимонохроматического управляющегоизлучения, причем дополнительный волно водный слой выполнен из фотохромногоили фоторефрактивного материала,Модулятор, изображенный на фиг,1 а,бв случае фотохромного волноводного слояработает следующим образом. Максимальное пропускание Т резонатора равнот =.-" - :- - ", - (з(1 - Р А)где Й - коэффициент отражения зеркал дляуправляемого излучения, А = ехр(- аЬ), а с- коэффициент поглощения управляемогоизлучения, и - толщина фотохромного слоя,При состоянии НЕТ интенсивности Ь фотохромный материал окрашивается и пропускание резонатора уменьшается каквследствие увеличения ас, так и возможного нарушения условия резонанса (1), Припереходе в состояние ДА интенсивностивуправляющего обесцвечивающего излучения фотохромный материал обесцвечивается и пропускание Т резонатораувеличивается как вследствие уменьшения%, так и уменьшения расстройки от условийрезонанса (1). Диэлектрическая подложкатолщиной 2 - 4 мм может быть выполнена из 4кварца, первый волноводный слой толщиной и100 мкм - из фотохромного стеклаСогп пд М 5. Оптические изолирующие слоимогут быть приготовлены термическим распылением порошка 5102, Высокоотражающие зеркала с коэффициентом отражения0,9 могут быть приготовлены путем термического распыления алюминия, Если в качестве управляемого излучения используетсяизлучение Не-Сд лазера с длиной волны генерации Я= 0,32 мкм, а в качестве управляющего излучения - излучение Аг-лазера сдлиной волны генерации 4 = 0,51 мкм, тоуправляемое излучение будет приводить к окрашиванию рабочей эоны волноводного слоя, а управляющее - к обесцвечиванию.Коэффициенты поглощения фотохромного стекла Согпп 9 М. 5 на длине волны 0,32 мкм составляют3 см в обесцвеченном состоянии и - 7 см в окрашенном состоя нии, Без резонатора и при выполнении подложки из.того же фотохромного стекла согласно выражениям (1), (2) минимальное про пускание То = 0,23. максимальное и ропускание Т 1 = 0,239 для и =100 мкм, б =2 мм. При этом глубина модуляции гп = 0,04,.внесенные потери составляют 6,2 дБ. Из выражения (3) следует, что йри наличии резонатора и выполнении подложки из прозрачного материала минимальное пропускание модулятора с указанными выше параметрами равно 0,35, максимальное пропускание 0,60; глубина модуляции а = =0,42, внесенные потери менее 3 дБ, т,е, по сравнению с прототипом одновременно увеличивается глубина модуляции и уменьшаются внесенные потери.Изменение показателя преломления при изменении степени окрашивания фотохромного материала будет приводить к уменьшению величины То, т,е. к повышению глубины модуляции. В случае фотореактивного волноводного слоя основным следствием включения управляющего излучения будет изменение показателя преломления, По сравнению с рассмотренным выше примером чисто фотохромного материала это увеличению глубины модуляции и уменьшению внесенных потерь,Модулятор, показанный на фиг.2 а,б работает следующим образом, С помощью средства 9 в двухслойном волноводе, содержащем первый волноводный слой из фотохромного материала, возбукдается мода с Йпц, Так как эта мода локализована в основном во втором волноводном слое, ее затухание мало, С помощью средства 11 в рабочей зоне управляющее излучение выводится в подложку, причем вследствие условия (2) выведенное излучение распространяется по нормали к поверхности зеркала. Поскольку затухание управляющего излучения вследствие поглощения в фотохромном слое мало, а средство 11 выполнено с возрастающим по ходу каналируемой волны коэффициентом излучения в подложку, плотность мощности выведенно. го в подложку излучения постоянна в поперечном сечении= сопи резонатора. что позволяет увеличить рабочую поперечную апертуру управляющего сеетового пучка безуменьшения глубины модуляции. При этом в силу дисперсии показателя преломления внутрирезонаторных сред при определенных значениях интенсивностей волн в, 1 с в состоянии ДА возможно выполнение усло вия резонанса типа (1) для управляющей волны, что приводит к возбуждению резонатора на длине волны Я, и, следовательно, к увеличению плотности мощности управляющего излучения в области фотохромного 10 слоя. В остальном работа модулятора по фиг,2 а,б аналогична работе модулятора по фиг.1 а,б.Каждый из волноводных слоев в устройстве по фиг.3 работает так же, как в модуля торе но фиг,1, Отсюда следует, что в случае фотохромных слоев состояние, высокого пропускания резонатора может быть достигнуто только в том случае, когда обесцвечивающее управляющее излучение 20 возбуждено одновременно в первом и дополнительном волноводных слоях, т.е. модулятор по.фиг.З может выполнять функции логического элемента И; В случае фоторефрактивных слоев условие резонанса (1) и, 25 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 30 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. 35 Формула изобретения1, Волноводный модулятор света, содержащий диэлектрическую подложку с первой и второй взаимно параллельными 40 поверхностями, первый волноводный слой, выполненный из фотохромного или фоторефрактивного материала и расположенный на первой поверхности диэлектрической подложки, источник квазимонохроматического управляемого излучения, по крайней мере одно средство для возбуждения в волноводном слое квазимонохроматического управляющего излучения, о т л и ч а ю щи й 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 расположен 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 й 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 каналируемого излучения в диэлектрическую подложку,3, Модулятор по п 1,отл ича ю щи йся 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.1805436 рректор А,Обруча актор Заказ 941 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 Сост Техр итель Ю,УдоевМ.Моргентал