интегрально-оптический пространственный разделитель поляризации на основе асимметричного y-разветвителя

Формула изобретения

Интегрально-оптический пространственный разделитель поляризаций на основе асимметричного Y-разветвителя, состоящий из планарного волновода в стекле и высокопреломляющей диэлектрической пленки, нанесенной поверх волновода, отличающийся тем, что часть поверхности Y-разветвителя в области разделения поляризаций покрывается высокопреломляющей диэлектрической пленкой заданной толщины и переменной ширины для формирования в зоне разделения области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к волоконно-оптическим системам связи и обработки информации и используется для расщепления компоненты поперечной электрической моды (ТЕ) и компоненты поперечной магнитной моды (ТМ) в два выходных волновода, для связывания входов компоненты ТЕ-моды и компоненты ТМ-моды в выходной оптический волновод. Устройство может применяться в технике связи, системах сбора и обработки данных, телеметрии, системах квантовой криптографии с фазовым кодированием.

Известен интегрально-оптический поляризационный расщепитель, изготовленный на основе пространственного разделителя поляризаций волноводов с различными оптико-физическими параметрами. Это реализовано формированием комбинированных составных волноводов, получаемых внедрением в ниобат лития различных диффузантов: титана, никеля и оксида магния. (Wei, P.K., Wang, W.S. A TE-TM mode splitter on LiNbO₃ using Ti, Ni, and MgO diffusions [Текст] / P.K Wei, W.S.Wang // IEEE Photonics Technology Letters - 1994. - V.6, № 2. - pp.245-248).

Недостатком данного устройства является сложность изготовления составных волноводов с заданными оптическими параметрами.

Известен интегрально-оптический расщепитель на основе асимметричного Y-разветвителя, сформированного методом ионного обмена в стекле. Входной канал и один из выходных каналов покрываются высокопреломляющей пленкой, формирующей области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций. Для разделения поляризационных компонент излучения выходное плечо разветвителя, не покрытое пленкой, должно иметь несколько другие параметры, чем входной канал и другое плечо. Одно из решений состоит в некотором изменении толщины высокопреломляющей пленки при равной ширине всех каналов. (Векшин, М.М., Кулиш, ОА., Яковенко, Н.А. Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом Y-разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев [Текст] / М.М.Векшин, О.А.Кулиш, Н.А.Яковенко // Автометрия - 2004. - Т.40, № 4. - с.50-57).

Недостатком данного устройства является то, что оно обладает низким коэффициентом развязки оптических мод, кроме того, для изготовления волновода, покрытого пленкой различной толщины, требуется сложный технологический процесс.

Целью изобретения является увеличение коэффициента развязки асимметричного интегрально-оптического поляризационного расщепителя и упрощение изготовления данного устройства.

Цель достигается тем, что часть поверхности Y-разветвителя в области разделения поляризаций покрывается высокопреломляющей диэлектрической пленкой заданной толщины и переменной ширины для формирования в зоне разделения области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций.

В известном техническом решении имеются признаки, присущие заявленному решению. Это наличие Y-разветвителя на основе планарного волновода в стекле и высокопреломляющей диэлектрической пленки, нанесенной поверх волновода. Однако свойства заявленного решения отличаются от свойств известного решения тем, что в заявленном устройстве с целью увеличения коэффициента развязки и упрощения изготовления устройства изменена геометрическая конфигурация пленки. В связи с чем заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями от известного и обеспечивает достижение положительного эффекта, простоту конструкции и изготовления. В предлагаемом изобретении отсутствует изменение толщины диэлектрической пленки, но покровная пленка формируется так, чтобы ее ширина изменяла свое значение, благодаря чему достигается поляризационное расщепление.

Преимущества данного изобретения станут более очевидными из подробного описания его предпочтительного осуществления со ссылкой на прилагаемые рисунки, в которых:

рис.1 изображает схему конструкции интегрально-оптического разделителя ТЕ/ТМ-волн (а) и его поперечное сечение АА^/ (b);

рис.2 - распределение полей ТЕ₀-моды и ТМ₀-моды ((а) и (b), соответственно) четырехслойного планарного волновода;

рис.3 - распределение напряженности электрического поля ТМ₀ -моды (а) и ТЕ₀-моды (b) в сечении АА^/ разделителя поляризаций на основе диэлектрических изотропных слоев.

На рисунке 1 показано устройство поляризационного расщепителя для оптических систем связи, предполагающих отдельную обработку информационных сигналов по ортогональным поляризационным составляющим излучения. Поляризационный разделитель представляет собой асимметричный Y-разветвитель на основе канальных волноводов в стеклянной подложке. Часть поверхности Y-разветвителя в области разделения поляризаций покрывается высокопреломляющей диэлектрической пленкой заданной толщины и переменной ширины для формирования в зоне разделения области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций. Оптический канальный волновод изготавливается способом ионного обмена K⁺ Na⁺ в стекле, покровная пленка формируется методом магнитронного напыления и имеет толщину несколько десятков нанометров. Искусственная анизотропия сформирована путем сочетания слабонаправляющего и резко неоднородного волноводов. Модовое двулучепреломление четырехслойного волновода, состоящего из слабонаправляющего канала в стекле, покрытого тонкой изотропной диэлектрической пленкой с высоким показателем преломления, может приводить к существенному разнесению в пространстве полей ТЕ- и ТМ-мод (рис.2). Контуры полей локальных ТЕ- и ТМ-мод в сечении АА^/ разделителя поляризаций представлены на рис.3.

Для создания поляризационных разделителей может быть использован эффект селекции мод в Y-разветвителях, реализуемый в различных формах. Если входной двухмодовый волновод разделяется на два различных по параметрам одномодовых канала, то существует возможность пространственного разделения мод по различным каналам. Количественно для определения условий такого перераспределения направленных волн вводится коэффициент модового преобразования MCF (mode conversion factor), MCF=( ₁- ₂)/ , где ₁, ₂ - константы распространения волноводных мод в выходных каналах 1 и 2, - угол разветвления, а параметр определяется следующим образом:

n_s - показатель преломления подложки, в которой сформированы волноводы, k₀=2 / , - длина волны излучения в вакууме. На основе теории связанных мод доказано, что если коэффициент MCF по модулю больше чем 0.43, то разветвитель обладает свойствами модового селектора: фундаментальная мода ответвляется в канал с большей константой распространения, а мода первого порядка направляется в канал с меньшей константой распространения. Для разделения поляризаций данный принцип используется следующим образом. В области разветвления формируется двухмодовый рупорообразный участок, который далее разделяется на 2 одномодовых канала. Коэффициент MCF должен быть достаточно большим (>>0.43), но противоположного знака для обеих поляризаций. Произвольным образом поляризованное входное излучение возбуждает локальные фундаментальные ТЕ- и ТМ-моды в двухмодовом волноводе. Далее эти моды распределяются по разным каналам, так как для ТЕ- и ТМ-волн выходные волноводы с наибольшей константой распространения различны.

Условия, накладываемые на параметры разделителя поляризаций при его разработке, сводятся к следующим положениям. Устройство представляет собой асимметричный Y-разветвитель на основе канальных волноводов в стекле, сформированных методом ионного обмена. Входной канал и один из выходных каналов покрывается высокопреломляющей пленкой (показатель преломления ~2.5) определенной толщины для формирования области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций. Таким образом, достигается условие для констант распространения ТЕ-поляризованных волн. Для выполнения условия для ТМ-волн выходное плечо разветвителя, не покрытое пленкой, должно иметь несколько другие параметры, чем входной канал и второе плечо. Одно из простых решений состоит в некотором изменении ширины пленки при равной толщине всех каналов. Указанные ограничения, накладываемые на константы распространения, приводят к необходимости поиска компромисса для одновременного выполнения обоих условий - и .

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от лазера вводится на вход Y-разветвителя, произвольным образом поляризованное входное излучение возбуждает локальные фундаментальные ТЕ₀- и ТМ₀-моды в зоне разделения поляризаций. Значительное модовое двулучепреломление четырехслойного волновода, состоящего из слабонаправляющего канала в стекле, покрытого тонкой изотропной диэлектрической пленкой с высоким показателем преломления, приводит к существенному разнесению в пространстве полей ТЕ- и ТМ-мод. Мода ТЕ₀ локализуется преимущественно в пленке над волноведущим каналом в стекле. Функционирование разделителя поляризаций должно обладать свойствами адиабатического перехода. Поле локальной моды может изменять свою конфигурацию в процессе своей эволюции, но связь с локальной модой иного порядка или модами излучения должна быть минимальной. Плавное изменение формы полей требует малого продольного изменения профиля показателя преломления в Y-разветвителе.

При распространении излучения в волноводе под пленкой энергия ТЕ-моды постепенно переходит в диэлектрическую пленку. Таким образом, клинообразный покровный слой также является волноводом, по которому распространяется излучение с ТЕ поляризацией. Так как на моду с ТМ поляризацией диэлектрическая пленка не влияет, то ТМ поляризованное излучение распространяется по волноводу под пленкой и выходит в первый выходной канал разветвителя. ТЕ поляризованное излучение направляется по диэлектрической пленке во второй выходной канал и благодаря клинообразной форме пленки постепенно переходит обратно в канальный волновод.

Поляризационный расщепитель можно также применять как поляризационный элемент связи для связывания двух компонент оптического излучения с ортогональной поляризацией в один волновод, когда компоненту ТЕ-моды и компоненту ТМ-моды запускают в два выходных оптических волновода в этой структуре.

Для описания функционирования волноводного разделителя поляризаций использовалась строгая теория связанных мод. Эволюция нормализованных амплитуд локальных мод a_m(z) в разветвителе описывается уравнением:

где (z)= _p(z)- _q(z), _p, _q - константы распространения локальных мод "p" и "q".

Выражение для коэффициента связи _pq между локальными модами имеет вид:

где e_p[x, y, z), e_q (x, y, z) - нормализованные на единицу мощности амплитуды электрических полей мод, n=n(x, y, z) - распределение показателя преломления в разветвителе, - частота электромагнитной волны. Поля и константы распространения мод рассчитывались путем решения полного векторного волнового уравнения в частотной области методом конечных элементов.

Расчет проводился для отработанной технологии ионного обмена K⁺ Na⁺ в стекле на длине волны 1550 nm. Показатель преломления оптического стекла типа ВК-7 n_s=1.50101. Распределение показателя преломления канального волновода n(x, y) описывается функцией:

где n - приращение показателя преломления на поверхности стекла, d_x, d_y - эффективные размеры области ионообменного волновода. Приращение показателя преломления n=0.008 для ТЕ-мод, n=0.009 для ТМ-мод. Эффективные размеры ионообменного волновода: d_x=3 мкм, d_y=3.75 мкм. При данных параметрах волновод (без покровной пленки) поддерживает одну фундаментальную ТЕ₀- и ТМ₀-моду. Показатель преломления и толщина пленки - 2.5 (As₂S₃), 70 nm. Показатель преломления диэлектрической среды над волноводами и пленкой - 1 (воздух). Угол разветвления - 2°.

В результате проведенного математического анализа было доказано, что предлагаемое устройство позволяет пространственно разделить волноводные моды с ортогональной поляризацией, а также обладает более высоким коэффициентом развязки по сравнению с прототипом. Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод в выходных каналах, составляет для разделителя на основе диэлектрических изотропных слоев 15 дБ для ТЕ-волн и 20 дБ для ТМ-волн, общие вносимые потери для обеих поляризаций не превышают 0.8 дБ при длине устройства 10 мм.

Таким образом, на основе Y-разветвителя с использованием канальных ионообменных волноводов в стекле, покрытых высокопреломляющей диэлектрической пленкой переменной ширины, можно создавать устройства для пространственного адиабатического разделения различных поляризационных компонент оптического излучения, применимых к широкому классу схем интегрально-оптических технологий. При осуществлении оптической связи с помощью одномодового оптического волокна, поскольку поляризация в оптическом волокне не обеспечивается, принимаемый оптический сигнал часто делят на соответствующие моды поляризации в случае, когда его обрабатывают с помощью устройства, зависимого от поляризации. Этот поляризационный расщепитель целесообразно применять для произвольной поляризации входа и его можно использовать как поляризационный элемент связи, когда оптический сигнал необходимо отправить по оптическому волокну после обработки сигнала в зависимости от его поляризации. Преимуществом данного изобретения и положительным эффектом при его применении, по сравнению с аналогом, является увеличение коэффициента развязки и упрощение изготовления устройства.

Источники информации

1. Maruyama H., Haruna M., Nishinara H. «TE-TM mode splitter using directional coupling between heterogeneous waveguides in LiNbO₃ », Journal of Lightwave Technology, 1995, V.13, № 7, pp.1550-1554.

2. Wei P.K., Wang W.S. «A TE-TM mode splitter on LiNbO₃ using Ti, Ni, and MgO diffusions», IEEE Photonics Technology Letters, 1994, V.6, № 2, pp.245-248.

3. Векшин М.М., Кулиш О.А., Яковенко Н.А. «Пространственное разделение ТЕ- и ТМ-волн в интегрально-оптическом Y-разветвителе на основе диэлектрических изотропных слоев», Автометрия, 2004, Т.40, № 4, с.50-57.

4. Гладкий В.П., Никитин В.А., Прохоров В.П., Яковенко Н.А. «Элементы волноводной оптоэлектроники для устройств функциональной обработки цифровой информации», Квантовая электроника, 1995, № 10, с.1027-1033.