Волноводный управляемый преобразователь оптических мод

(5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.К А ТОРС КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ В(56) Божевольный С,ИЗолотов Е.М., Прохоров А,МЩербаков Е.М, Исследование интерферометрического модулятора наоснове канального волновода в ОМВОЗОКвантовая электроника. - 1981, т. 8, йв 8,с 1746-1749,Н,Р.Тауог, А.Уагч.Ргос.1 ЕЕЕ, 1974,чо 1.62, р, 1044,(54) ВОЛНОВОДНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ МОД(57) Область применения; оптическая обработка информации, в частности к устройствам интегральной оптики, может бытьприменено в качестве конвертора мод оптиИзобретение относится к области опти. ческой обработки информации, в частности к устройствам интегральной оптики, и может быть применено в качестве конвертора мод оптического излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконн но-оптических линий свя зи.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, увеличение быстродействия и минимизация устройства,Поставленная цель достигается тем, что волноводный преобразователь оптических мод содержит сегнетоэлектрическую под 5 Ы, 1829021 А 1 ческого излучения, а также амплитудного оптического модулятора для волоконно-оптических линий связи, Сущность изобретения: сегнетоэлектрическая подложка с оптическим волноводом и двумя парами металлиеских 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 волновода 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. ложку с оптическим волноводом и металли. ческими электродами, над которыми расположен покровный слой, а также вторые металлические электроды. межэлектродная область которых соосна межэлектроднай 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 поеломления оптического волновода, Оптически прозрачный слой нелоляется оалнаоадным при данной длине оалнц оптического излучения, а ега толщина монотонна увеличивается в пространстве От первой ко отарой паре металлических э;)ект)адов.Частным случаем заявляемого устройства яоляется устройства, у которого оптически празрачнь)й слой имеет постоянную толщину, а ега г)аказатеь преломления монатона увеличивается от первой ко второй паре металлических электродов.-1 а фиг. 1 изображена схема волнаводного преобразователя оптических мод; на фиг. 2 в . распределение показателей прелаления трехслойной оалнаоадной структуры, на фиг. 3 - графическое решение ха)ак 1 еристическаго уравнения для оптических оал)оаоодных мад Пл и ТЕ типов трехсайг,а." оалнаоаднай структуры; нэ фиг,4 - )оса)эсдеее показателей преломления чо; ырехслайнай оалнаваднай структуры; на ;:гиг.,:; - : ра: ичес);ае решение характеристи).скага,раоения для оптических оално;.:, )х .)а/.),)з.Л и ТЕ типов четырехслойной : с ".)гэоад)Й структуры; на фиг, 6 - графические решения характеристических урав- .Г ий Оптичгеских Галаоадных мад ТУ и ТЕ г,.;Па".3)ЕХСГ)айОЙ и с)ЕТЫрвхсла)гОИ ООЛО -.: ы,. х структу; о фиг, 7 и 8 - графические р ,.:.)Оил характеристических уравнений опт)с)/",з,: оалгОоадных мад ТЕЛ и ТЕ типов.х, сй;)ОЙ и чстцрехслайнай оалнавад:;: Сту/у при приложении на металлическ)е Электроды управляющих ):ог.)лжс ИЙ; на фиг. 910 - графические )оо; )и; харак тористических уравнений Опт. .,:х о.:лнаоадпых мад ТМ и ТЕ типов грг-.:, .лай"шз и четь рехслайнай оолнавад;)ых структур при приложении на металли- )ЕСКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ УПРаОЛЯЮЩИХВал Ооадный преобразователь Оптических мад содержит сегнетаэлектрическу)о падлакку 1, а тгический оалнаоод 2, оптически праэазчный стОЙ 3, пакаавныЙ слОЙ 4, ЫвталЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКтРОДЬг 5, МЕтаЛЛИЧЕСКИЕ электроды 6, оптический вход 7, оптический оыхад 8. Оптически прозрачный слой 3 представляет собой прямоугольный параллелепипед, усеченный плоскостью. причем секущая плоскость при пересечении с верхней плоскостью Оптического волнавода 2 образует прямую, перпендикулярную напа олени)а распространения оптического излучения. Оптический вход 7 и оптический оьзход 8 распалакенц соасно межзлектроднь)м областям металлических электродов 5 и металлических электродов 6, Оптически прозрачный слой 3 расположен на поверх)оси оптического оалнооада 2 и заключен между металлическими электродами 5 и металлическими электродами 6.Рассмотрим работу волноводного преобразооателя оптических мод )фиг, 1).5 Подадим на оптический вход 7 оптическое когерентное излучение; оно будет распространяться по оптическому волноводу 2.Для облегчения рассмотрения разобьем оптический волновод 2 условно на три области 1, 1) и 111,фиг. 1), где в 1 и)11 областях оптический волновод представляет собой трехслойную волноводную структуру )фиг, 2), и характеристическое уравнение которого может быть представлено в виде15сзг ъя:7/зз) - М -Жз:ггзз (з)при й =-0,1,2,., гдеФзз = агсгс Г/К)з - пя) з/)и - гр/Зг)з)сз) (2) фзз =згсгз)ф%) - пз /пз - ф/г) ) )сЗ)25 для оптической волны ТМ-типа и гдег)с 4 = агсгспзг/з)з - пз)/ппг з - р/ )з)зз), )З)%з = агсгс(п)ф/г)з - пзз)згз /ПЯ - ф/ )1 4)для оптической волны ТЕ-типа, причемй - порядковый номер моды, М - волновое число ф= 2 лЯ),Ф ) - набег фазы оптического когерентного излучения на границе раздела 1 и )слоев, пт - показатель преломления оптически прозрачного слоя 3, п 2 - показатель преломления оптического волновода 2, пз -40 показатель преломления сегнетозлектрической подложки 1, п 4 - показатель преломления покрооного слоя 4, )тЧ - глубинаоптического волновода 2, А- длина волныоптического излучения в свободном про 45 странстве,Решение характеристического уравнения (1) для ТМ и ТЕ типов оптических волноводных мод (при И = О) представленографически на фиг, 3, из графического реше 50 ния видно, что при фиксированной толщине)9/) оптического волновода 2 и при фиксированных значениях показателей преломления п 2, пэ, п 4, в области)и И 1 по оптическомуволноводу 2 могут распространяться опти 55 ческие волны ТМ и ТЕ типа с постояннымираспространения Р и р 2 соответственно.В области И (фиг, 1) оптический волновод 2 покрыт оптически прозрачым слоем3, который представляет собой прямоуголь(7) 25 11=Для ТЕ-волн35п/п 1 для ТМ-волн,Н - толщина оптически прозрачногослоя 3,Решение характеристического уравне- ,ния (8) при й = О и толщине оптическоговолновода 2. равной ЧЧ, в областяхи 1 Ипредставлено графически на фиг. 5.На фиг, 6 совместно показаны графические решения характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной ичетырехслойной структуры соответственно.Из графических решений характеристицеских уравнений (1) и (8) для трехслойной ичетырехслойной волноводных структур(фиг. 6) определяется толщина Н 1 оптическипрозрачного слоя 3. при которой в данномоптическом волноводе 2 (область 1) будетсуществовать оптическая волноводная мода ТМ с постоянной распространения Р 1,равной постоянной распространения Р 1 оптической волноводной моды ТМ типа трехслойной волноводной структуры (областииИ). При выполнении условия согласованияпостоянных распространения оптических ный параллелепипед, усеченный плоскостью АВСО, причем секущая плоскостьпри пересечении с верхней плоскостью оптического волноводэ 2 образует прямую,перпендикулярную направлению распространения оптицеского излучения. В области. 11 оптический волновод 2 представляет собой четырехслойную волноводную структуру, причем высота оптически прозрацногослоя 3 изменяется с изменением координа Оты вдоль оси у(фиг. ),Распределение показателя преломления четырехслойной волноводной структуры (область 11) в фиксированном сечениипредставлено на фиг,4; 15Очевидно, что постоянные распространения 31 и 32 оптических волн ТМ и ТЕтипов соответственно должны удовлетворять неравенству:пг%пз 1,Кпг Рг 1 пзи в области И для четырехслойной волноводной структуры характеристическое уравнение при условии, цто1(пг)ф) МЗимеет видНЬ = НЛ + ЭГСЯ(11411411) +(8)при й = О, 1, 2, , где и = 1 п 1 - рг;п 2 =1 п 2пз = /Ъ - К пз;П 4 = Д 12 П 4 волноводных мод тоехглойиой волноводчой СтруКтурЫ /11 И ЧЕтЫрЕХСЛОйНОй ВОЛнОВОД- ной структуры 1%+ (т.е, при д 1:- 1 В 1) сц гическэя Волноводная мода 3 М-типа трехслойной волноводной структуры (область 1) преобразуется в оптическую волна. водную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (нэ границе областейи И, фиг, 1) без энергетических потерь.Из графических решений характеристических уравнений (1) и (8) для трехслойной и четырехслойной вол новодных структур (фиг. б) следует, цто при выбранной толщине Н 1 оптически прозрачного слоя 3 оптическая волноводнэя мода ТЕ-типэ трехслойной волноводной структуры(область 1) при переходе в четырехслойную волноводную структуру (область 11, фиг. 1) преобразуется в оптическую излучательную моду, так кэк при фиксированной толщине Н 1 оптически прозрачного слоя 3 и постоянной распространения Рг 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, /31+ Рг)При распространении оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры от границы областей 1, И к границе областей 11,11(фиг. 1) с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3, постоянная распространения данной моды возрастает и на границе областей И, 11 при достижении значения постоянной распространения ,дг оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, равной постоянной распространения Рг оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры, из решений характеристического уравнений (1) и (8) определяется толщина Н 2 оптического прозрачного слоя 3 (фиг, б). При этом тэк кэк выполняется условие согласования постоянных распространения Д оптической вплнсводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры и Рг оптической воноводной моды ТЕ-типа трехслойной волновоцной структуры(т,е, рг = рг), оптическая волноводная мода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область 1) преобразуется в оптическую волноводную моду ТЕ-типа, трехслойной волноводной структуры (область 11) нэ границе областей 11, 11 без энергетических потерь.(Д- ф)=-Р (12)Таким образом, в области 11 (фиг. 1) четырехслойной волноводной структуры от границы областейи И будет распространяться оптическая волноводная мода ТМ- типа.Оптическая волноводная мода ТМ-типа трехслойной волноводной структуры при данном приложенном управляющем напряжении 01 к металлическим электродам 5, будет иметь на границе раздела областейи И постоянную распространения (-Ь/3), и при переходе в четырехслойную волноводную структуру(область И, фиг, 1) будет преобразовываться в оптическую излучательную моду, т.к. не выполняется услсвие согласования по постоянным распространения оптической волноводной моды ТМ-типа трехслойной волноводной структуТаким образом, на оптическом выходе 8 будет зарегистрировано оптическое когерентное излучение ТЕ-поляризации,. Подадим на металлические электроды 5 управляющее напряжение О 1 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:Лп = - 1/2 гп 2 зЕ, (9) где Е - компонента напряженности электрического поля вдоль оси г,г - компонента электрооптического тензора.В результате уменьшаются постоянные распространения Р 1 и ф 2 оптических волноводных мод ТМ и ТЕ-типов соответственно трехслойной волноводной структуры на величину фг.ф) =- Ь п 22 к/А (10)Величина прикладываемого управляющего напряжения О определяется из уравнений (9), (10) и должна удовлетворять условию, что изменение постоянной распространения Р 2 оптической волноводной моды ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры на величину ф" (под действием злектрооптического эффекта), равную4=/ Рг-Р / (11)В этом случае оптическая волноводная мода ТЕ-типа трехслойной волноводной структуры на границе областейи(фиг. 1) преобразуется в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры, т.к, выполнястся условие согласования постоянных распространения данных оптических волноводных мод,т,е. (фиг.7 ры и оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Н оптически прозрачного слоя 3 (т.е. 31= р -Ьф ) (фиг, 7). Рассмотрим случай подачи управляющего напряжения Ог на металлические электроды 4 такой полярности, чтобы 10 оптический волновод 2, заключенный в межэлектодной области металлических электродов 5, изменил показатель преломления в сторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону:15 Ьп = + 1/2 г.п 2 Еа(13)В результате увеличиваются постоянные распространения ф 1 и р 2 оптических волноводных мод ТМ и ТЕ типов соответственно трехслойной волноводной структуры 20 на величину Д 8, определяемую выражением (10). В связи с этим происходят преобразования как оптической волноводной моды ТМ-типа, так и ТЕ-типа трехслойной волноводной структуоы (область 1, фиг. 1) в опти ческие излучательные модычетырехслойной волноводной структуры (область 1, фиг, 1) на границе областейи 11, т.к. не выполняются условия согласования по постоянным распространения оптиче ских волноводных мод ТМ и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры (область ) и оптической волноводной моды ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры при фиксированной толщине Н 35 оптически прозрачного слоя 3 (т.е.ф=ф +Щф=ф 2+ф )(фиг, 8).Таким образом, прикладывая к металлическим электродам 5 управляющее напряжение необходимой величины и полярности возможно оптические волноводные моды ТМ и ТЕ-типов трехслойной волноводной структуры на границе областей 1 и И преобразовывать либо в оптическую волноводную моду ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область И, фиг, 1), либо в оптические излучательные моды четырехслойной волноводной структуры (область 11, фиг, 1, что говорит не только о воэможности конверсии мод, но и о возможности амплитудной модуляции.Следовательно. при фиксированнойтолщине Н 1 оптически прозрачного слоя 3 (фиг, 1) в четырехслойной волноводной структуре (область И) будет распространяться оптическая волноводная ТМ-типа, и с увеличением толщины оптически прозрачного слоя 3 будет возрастать значение постоянной распространения данной оптической моды, и при толщине Нг оптически прозрач 1829021ного слоя 3 значение постоянной распространения этой оптической моды будет равнофПодадим на металлические электроды 6управляющее напряжение такой полярности, чтобы оптический волновод 2. заключенный в межэлектродной областиметаллических электродов 6,изменил показатель преломления в сторойу уменьшенияза счет электраоптического эффекта по закону (9).В результате уменьшаются постоянныераспространения ф и р 2 оптических вол.новодных мод ТМ и ТЕ-типов саответст венно трехслойной волноводной структуры(область И) на величину фУ, определяемуювыражением (10).В связи с этим оптическая валноводнаямода ТМ-типа четырехслойной волновадной структуры (область И) на границе областей , И преобразуется в оптическиеизлучательные моды трехслойной валноводной структуры (область И), т,к. постоянная распространения Д оптическойволноводной моды четырехслойной волноводной структуры (область И) не удовлетворяет условию согласования постоянныхраспространения трех- и четырехслойныхволноводных структур (т.е,ФЮ 4)ДФОП 4(фиг, 9),Рассмотрим случай подачи управляющего напряжения 04 на металлические электроды 6 такой полярности, чтобыоптический вол новод 2, заключенный в межэлектродной области металлических электродов 6, изменил показатель преломления всторону увеличения за счет электрооптического эффекта по закону (13),В результате увеличиваются постоянные распространения р 1 и Р 2 оптическихволновадных мод ТМ и ТЕ типов соответственно трехслойной волноводной структурына величину ф 3, определяемую выражением (10).Величина прикладываемого управляющего напряжения 04 определяется из уравнений (9) и (10) и должна удовлетворятьусловию, что постоянная рапространенияф 1 оптической волноводной моды ТМ-типатрехслойной валноводной Структуры должна изменяться на величину ДВ(под действи.ем электроаптического эффекта, равную48=/Ра Р т(, (14)В этом случае оптическая волноводнаямода ТМ-типа четырехслойной волноводной структуры (область И, фиг. 1) на границеобластей И и И преобразуется в оптическуюволновадную моду ТМ-типа трехслойноговолноводного слоя (область И), т.к. выполняется уела) ие со ляг.ч: н; тн)зи)яных распространения да) ых аГ) гис (. ).:. ел на Водных мод, т.е. ) фГ. 10).(д)(р= /." (ГИсходя иэ вь)шеизлаженнаго, легко рассмотреть работу предлагаемого устройства при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6.10 Функциональные возможности волноводного преобразаватсля оптических мод при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металлические электроды 6 при различных комбинациях состояния поляризации оптического когерентного излучения на оптическом входе 7 представлены в табл, 1,Из рассмотренной выше теории гледует, что подаче оптического когерентнога иэ- .20 лучения различных комбинаций состоянияполяризации на оптический выход 8 предлагаемое устройство при одновременной подаче управляющих напряжений на металлические электроды 5 и металличе ские электроды 6 будет функционироватькак показано в табл. 2.Из вышеизложенного следует, чта приподаче на металлические электроды 5 управляющего напряжения О, удавлетворяю щего условиюОтО Ог, (16)и при одновременной подаче на металлические электроды 6 управляющего напряжения О, удовлетворяющего условию:35 Оз 5004, (17)предлагаемое устройство будет функционировать либо как аналоговый амплитудный модулятор, либо как аналоговый поляризационный модулятор оптического излучения, 40 в зависимости от комбинации приложенныхуправляющих 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 градиентам показателя преломления вдоль направления распространения аптиеского когерентного излучения, причем наименьший показатель преломления этого слоя должен быть больше показателя преломления оптического волновода 2, Очевидно, чта значения показателей преломления оптиче скй прозрачного слоя 3, необходимые дляэффективного функционирования заявляемого устройства, определяются иэ решений характеристических уравнений трехслой 1829021 12ной 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 Е 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 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.В качестве сегнетоэлектрической подложки 1 можно использовать монокристалл ниобата лития "Х" (или "У") 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 ТМ оптической волноводной моды, при заданном значении длины волны оптического когерентного излучения (длина волны оптического когерентного излучения А - 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 селеноида мышьяка (Аз 23 ез, п 1 = 2,5, Е = 1000 мкм, Н 1= 0,15 мкм, НЕ=0,18 мкм), На поверхности оптического волновода 2 расположены 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 прозрач ная среда с показателем преломления,меньшим, чем показатель преломления оптического волновода 2, в нашем случае - воздух.Формула изобретения "О 1. Волноводный управляемый преобра. зователь оптических мод, содержащий сегнетоэлектрическую подложку с оптическим волноводом, устройства ввода-вывода излучения и первую пару металлических элект- "5 родов, над которыми расположенпокровный слой, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, увеличения быстродействия и снижения габаритов, он дополнительно 20 содержит вторую пару металлических электродов, межэлектродная область которой соосно с межэлектродной областью первой пары металлических электродов, а также с устройствами ввода-вывода излучения, 25 между парами электродов на поверхностиволноводного слоя расположен оптически прозрачный слой длиной, необходимой для установления волноводного режима под оптически прозрачным слоем, с показателем 30 преломления, большим показателя преломления оптического волновода, причем оптически прозрачныйслой не является волноводным при данной длине волны оптического излучения, а его толщина моно тонно увеличивается в пространстве отпервой к второй паре металлических электродов. 2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что оптически прозрачный слойимеет постоянную толщину, а его показатель преломления монотонно увеличивает ся от первой к второй паре металлических электродов.451829021 ТМ ТЕТИ Флг. 10 Составитель 8,:ГладкийТехред М.Моргентал Корректор А.Козориз еда ктор агарина, 101 енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор роизв аказ 2964 ТиражВНИИПИ Государственного комитета по. 113035, Москва, ЖПодписное обретениям и открытиям при ГКНТ СССРРауаская наб 4/5