Патент на изобретение №2183337

(54) РАСШИРИТЕЛЬ ПУЧКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в качестве расширителя оптического пучка, распространяющегося в оптическом волноводе, коллимирующего или селектирующего элемента в различных интегрально-оптических элементах и схемах, при создании перестраиваемых фильтров для частотного уплотнения сигналов в волоконно-оптических системах связи. Расширитель пучка представляет собой планарный оптический волновод, в котором или рядом с ним изготовлены полосковый оптический волновод и набор элементарных отражателей, перекрывающих апертуру полоскового оптического волновода, по которому проходит падающий световой пучок. Угол наклона и положение элементарных отражателей выбирают из условия совпадения (на заданной длине волны оптического излучения) направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей с направлением, задаваемым зеркально отраженными пучками, переходящими из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод. Обеспечено снижение габаритов и расходимости выходящего оптического излучения до 0,0001 рад. 3 ил.

Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в качестве расширителя оптического пучка, распространяющегося в оптическом волноводе, коллимирующего или селектирующего элемента в различных интегрально-оптических элементах и схемах.

Известно устройство (Аникин В.И., Шокол С.В. Фокусирующие элементы интегральной оптики. Зарубежная радиоэлектроника, 1984, 5, с.67-77), в котором расширение оптического пучка в волноводе осуществляется с помощью двух волноводных линз. Устройство работает аналогично стандартному коллиматору светового пучка, созданного на объемных линзах. А именно, с помощью короткофокусной и длиннофокусной линз оптический пучок, падающий на вход устройства, расширяется пропорционально отношению фокусных расстояний второй и первой линз.

Независимо от возможного типа используемых волноводных линз (Люнеберга, геодезических или др.) главным недостатком данного устройства является его большой размер, обусловленный как геометрическими размерами самих линз, так и большой длиной (не менее суммы фокусных расстояний двух линз), необходимой для формирования достаточно широкого и хорошо сколлимированного светового пучка.

Известно устройство “Волноводный расширитель пучка с голографической дифракционной решеткой” (V. Neuman, C.W. Pitt, L.M. Walpita. Guided-wave holographic grating beam expander – fabrication and perfomance. Electronics Letters, 1981, v.17. 4, p. 165-166), в котором расширение оптического пучка в волноводе осуществляется с помощью Брэгговской дифракционной решетки. Устройство состоит из дифракционной решетки с очень малым периодом, штрихи которой изготовлены на поверхности оптического планарного волновода под углом, равном углу Брэгга (_бр), отмеренному по отношению к падающему световому пучку
sin_бр = K/2k, (1)
где – период дифракционной решетки, k = 2N/₀ – константа распространения света в волноводе, ₀ – длина волны света в вакууме, N – эффективный показатель преломления направляемой моды оптического волновода.

Устройство работает за счет отклонения на 90 градусов узкого (меньше 1 мм) светового пучка, падающего на дифракционную решетку под брэгговским углом. Ширина расширенного пучка может составлять 5-10 мм. Она зависит от параметров взаимодействующих волн и дифракционной решетки. В данной работе дифракционная решетка на стеклянном волноводе изготавливалась методом ионного травления через маску фоторезиста, засвеченной голографическим методом путем сбивания двух оптических пучков. Решетка имела период 0,6 мкм и глубину 0,3 нм. Это обеспечило дифракционную эффективность 16% для направляемой моды с эффективным показателем преломления 1,536 на длине волны гелий-неонового лазера.

Недостатком данного устройства является высокая расходимость выходящего светового пучка, которая определяется расходимостью падающего светового пучка с узкой апертурой, а также пространственной неоднородностью расширяемого пучка, обусловленной технологической сложностью изготовления дифракционных решеток с субмикронными размерами на большой апертуре. Данное ограничение является принципиальным с точки зрения практического использования расширителя пучка в акустооптических (АО) устройствах обработки и передачи информации, например АО спектроанализаторах, перестраиваемых фильтрах и т.д. В таких устройствах расходимость оптического пучка определяет такой важный параметр, как число разрешимых положений.

Техническим результатом изобретения является создание расширителя пучка, который бы одновременно имел минимальные размеры и низкую расходимость выходящего оптического излучения.

Технический результат достигается тем, что в расширителе пучка, содержащем планарный оптический волновод, в планарном оптическом волноводе или рядом с ним выполнены полосковый оптический волновод и набор элементарных отражателей, перекрывающих апертуру полоскового оптического волновода, по которому проходит падающий световой пучок, причем угол наклона и положение элементарных отражателей выбирают из условия совпадения (на заданной длине волны оптического излучения) направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей с направлением, задаваемым зеркально отраженными пучками, переходящими из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод.

Работа расширителя пучка поясняется на следующих чертежах:
На фиг. 1 показана принципиальная схема расширителя пучка: где 1 – планарный оптический волновод, 2 – полосковый оптический волновод, 3 – элементарный отражатель, 4 – вход расширителя пучка, по которому вводится в полосковый волновод оптическое излучение, 5 – выход расширителя пучка, по которому выводится отраженный оптический пучок, представляющий собой сумму выходных оптических пучков, отраженных от элементарных отражателей.

На фиг. 2 представлен угловой спектр расширителя пучка, насчитанного на длину волны ₀ = 1,54 мкм.

На фиг. 3 представлены графики поведения сомножителей уравнения (7). Кривая 6 описывает широкое угловое распределение от единичного отражателя. Кривая 7 описывает узкий линейчатый спектр, который есть результат интерференции пучков света, образованных от различных элементарных отражателей с периодом расположения d=7 мкм. Истинный угловой спектр (см. фиг. 2) – есть произведение этих двух функций.

Конструктивно устройство выполнено следующим образом (см. фиг. 1). На поверхности твердого тела либо под ней (случай так называемого заглубленного волновода) изготавливается тонкий слой толщиной несколько микрон с показателем преломления выше показателя преломления окружающих сред (подложки и окружающего верхнего слоя, в данном случае воздуха). Такой слой является планарным оптическим волноводом (1), т.е. световой пучок может распространяться внутри данного слоя с очень низкими потерями (меньше 1 дБ/см). Количество направляемых (волноводных) волн (мод), которые поддерживает данная структура, и пространственное распределение оптических мод определяются профилем изменения показателя преломления по глубине.

В планарном оптическом волноводе или рядом с ним выполнен полосковый оптический волновод (2). Полосковый оптический волновод имеет увеличенное значение показателя преломления не только вглубь, но и поперек структуры. Поэтому он может поддерживать распространение узкого и нерасходящегося оптического пучка вдоль его оси в области с увеличенным значением показателя преломления. Полосковый волновод представляет собой локальную область на или под поверхностью твердого тела в виде тонкой полоски шириной от нескольких единиц до десятков микрон, с показателем преломления выше показателя преломления окружающей его среды. Волноводы могут быть изготовлены путем диффузии металлов, протонным обменом из расплавов солей, распылением веществ с более высоким показателем преломления, чем у подложки, эпитаксией из газовой или жидкой фазы, и т.д. Через полированный торец в полосковый оптический волновод вводится через вход (4) оптический пучок, который выходит через выход (5) планарного оптического волновода в виде когерентных световых пучков, которые формируют слаборасходящийся расширенный выходной пучок.

В области, которую занимает полосковый оптический волновод, изготовлен набор наклонных элементарных линейных отражателей (3), которые перекрывают апертуру полоскового оптического волновода (2). Чтобы обеспечить максимальное расширение оптического пучка, наклон отражателей можно выбрать из условия, чтобы отраженный пучок отклонялся под углом, близким к прямому углу (т. е. элементарные отражатели должны быть наклонены под углом порядка 45 градусов к оси полоскового оптического волновода). Однако в общем случае наклон может быть произвольным, исходя из конструкции конкретного устройства. Варьируя коэффициент отражения R и число отражателей можно изменять как угловую ширину выходящего пучка, так и уровень боковых лепестков. Отражатели могут представлять собой локальные области в виде узких (порядка 1 мкм) полосок с измененными оптическими свойствами, например, из-за протонного обмена, ионной имплантации и т.д., а также канавки или ступеньки (высотой порядка 1 – 100 нм) из того же или иного материала на поверхности оптического волновода. Коэффициент отражения элементарного отражателя обычно составляет 0,01 – 0,001 и может контролироваться путем оптимального выбора технологии изготовления и геометрии отражателя. Количество отражателей должно быть достаточно велико (обычно произведение RM больше 1, т.е. М порядка 100 – 1000), чтобы обеспечить хорошие коллимирующие свойства (узкую направленность и высокое подавление боковых лепестков в угловом пространстве) и высокую эффективность преобразования из узкого пучка в широкий пучок. Расстояние между элементарными отражателями обычно сравнимо с шириной оптического волновода (порядка 5 – 50 мкм). Из-за гораздо большего периода расположения элементарных отражателей, чем у расширителя пучка с голографической дифракционной решеткой, предлагаемое устройство более технологично.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Узкий оптический пучок вводится в полосковый оптический волновод и на каждом из элементарных отражателей делится на два пучка. Один (значительно меньший по интенсивности) отражается и переходит из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод, а другой (чуть меньший по интенсивности, чем падающий) проходит по полосковому оптическому волноводу до следующего элементарного отражателя, на котором снова делится на два пучка, и т.д. Все отраженные пучки когерентно суммируются с учетом оптического сдвига фаз, обусловленного задержкой светового пучка на промежутке между соседними отражателями. Результирующий световой пучок имеет широкую апертуру (в десятки и сотни больше входной) и низкую расходимость выходящего оптического излучения, обусловленную постоянностью фазового фронта оптической волны поперек полоскового волновода, а также строго заданным наклоном и положением большого количества элементарных отражателей.

Работу расширителя пучка можно проиллюстрировать через описание оптического поля отраженной волны в виде его углового спектра в плоскости волновода. Результирующий угловой спектр U(p), излучаемый расширителем пучка, может быть представлен в виде спектра фазовой дифракционной решетки, который описывается стандартным образом. Для простоты опишем поперечное распределение электрического поля направляемой (волноводной) моды как ехр(-(y/w₀)²), где w₀ – эффективная ширина полоскового волновода, у – поперечная координата (в плоскости планарного волновода). Каждый рефлектор имеет двойную ширину 2w и описывается постоянным коэффициентом отражения R и сдвигом фаз kx_m, где x_m – координата m-го рефлектора. Пусть рефлекторы располагаются строго периодически с шагом d
x_m = d m. (2)
Тогда U(p) может быть получено в виде

где r= (R)^1/2, t= (T)^1/2, T=1-R, p – синус угла наблюдения, измеренный относительно оси, соответствующей направлению на зеркальное отражение от элементарного отражателя, u₀(р) – угловой спектр, излучаемый элементарным рефлектором.

где С – нормировочная константа.

Для простоты положим, что отношение w/w₀ много больше единицы, тогда можно получить
u₀(p) = C()^1/2exp(-(kwp/2)²), (5)

Угловое распределение интенсивности расширенного пучка имеет вид

Излучаемый спектр расширителя пучка показан на фиг. 2. Он представляет собой очень узкий пик шириной порядка 0,0001 радиана. При расчете считалось, что N=2,2, элементарные отражатели имеют постоянный коэффициент отражения R= 0,002 и располагаются строго периодически с периодом d=7 мкм, число отражателей М= 1000, общая длина структуры отражателей dM=0,7 см, эффективная ширина полоскового оптического волновода w₀=10 мкм.

Появление данного узкого углового спектра можно проиллюстрировать на основе уравнения (7), которое содержит два сомножителя. Первый из них описывает угловой спектр ограниченного источника света, сформированного при частичном отражении направляемой моды полоскового оптического волновода. Спектр имеет широкое угловое распределение порядка 0,04 радиана (см. кривую 6 на фиг. 3) с максимумом, соответствующим зеркально отраженному пучку (р=0). Второй сомножитель описывает узкий линейчатый спектр с угловой расходимостью (p) порядка 0,0001 радиана (см. кривую 7 на фиг. 3 и 2) и описывает результат интерференции от различных элементарных отражателей. Положение максимумов линейчатого спектра определяется выражением
kd(1-p)/2 = m, (8)
где m – порядок интерференции (целое число). Истинный угловой спектр (см. фиг. 2) есть произведение этих двух функций. Поэтому, благодаря первому сомножителю, из всего линейчатого спектра (см. фиг. 3) выживает только одна линия (см. фиг. 2), соответствующая такому порядку интерференции (m), для которого направление распространения очень близко к зеркальному отражению (р= 0) от элементарных отражателей. Для нашего случая m = 20 при ₀ = 1,54 мкм.

Таким образом, расположение отражателей выбирается согласно уравнению (8) при р= 0. Оно соответствует условию, что на заданной длине волны оптического излучения направление распространения одного из порядков интерференции (m) и зеркально отраженных пучков совпадают с точностью до угловой расходимости (p), выходящего из устройства расширенного оптического пучка.

Причем согласно (8) диаграмма направленности расширенного пучка смещается как целое (сканирует) при изменении длины волны света согласно
p = (_m–)/_m, (9)
где _m = dN/m.
В результате использования изобретения мы получаем расширитель пучка, который одновременно имеет минимальные размеры (в нашем примере рабочее поле всего 0,0020,7 см²) и низкую расходимость (порядка 0,0001 рад) выходящего оптического излучения, диаграмма направленности которого сканирует при изменении длины волны оптического излучения. Совокупностью таких параметров не обладает ни один из известных расширителей пучка. Предлагаемый расширитель пучка может быть использован в качестве коллимирующих или селектирующих элементов в различных интегрально-оптических схемах. Кроме того, свойство расширителя пучка менять направление излучения при изменении длины волны света может оказаться полезным при конструировании оптических перестраиваемых фильтров для систем частотного уплотнения, используемых в волоконно-оптической связи. Расширитель пучка может быть изготовлен по известной технологии, разработанной для создания устройств интегральной оптики и микроэлектроники.

Формула изобретения

Расширитель пучка, содержащий планарный оптический волновод, отличающийся тем, что в планарном оптическом волноводе или рядом с ним выполнены полосковый оптический волновод и набор элементарных отражателей, перекрывающих апертуру полоскового оптического волновода, по которому проходит падающий световой пучок, причем угол наклона и положение элементарных отражателей выбирают из условия совпадения, на заданной длине волны оптического излучения, направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей с направлением, задаваемым зеркально отраженными пучками, переходящими из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод.

РИСУНКИ