акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления
Классы МПК: | G02B6/126 с использованием эффектов поляризации G02B6/14 модовые преобразователи G02F1/125 в оптических волноводах |
Автор(ы): | Стеффен ШМИД (DE), Серджо БОССО (IT) |
Патентообладатель(и): | ПИРЕЛЛИ КАВИ Э СИСТЕМИ С.п.А (IT) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-04-12 публикация патента:
27.06.2001 |
Изобретение используется в оптических линиях связи с объединением длин волн, для настройки длины волны излучения в объемном резонаторе лазера или восстановления формы импульсов в системе импульсной оптической связи. Устройство содержит подложку из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением, на которой формируются первая и вторая ступени вращения плоскости поляризации, включающие по меньшей мере один волновод, по меньшей мере один оптический волновод, связывающий две ступени и несущий один поляризатор, состоящий из поляризационного элемента связи с нераспространяющейся волной, по меньшей мере один волновод, расположенный за второй ступенью, несущий поляризационно-селективный элемент. Одна из ступеней содержит приспособление для генерирования поверхностной акустической волны. Способ изготовления включает диффузию металла в подложку для формирования акустического волновода, формирование поляризационно-оптических элементов путем фотолитографического осаждения и последующей диффузии второго металла внутрь самой подложки, формирование электроакустического преобразователя, содержащего электроды встречно-штыревой конструкции внутри акустических волноводов путем фотолитографического осаждения третьего металла на подложку. Обеспечена простота изготовления устройства уменьшенного размера, снабженного широким интервалом настройки и имеющего спектральные характеристики, стабильные во времени. 2 с. и 23 з.п. ф-лы, 13 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13
Формула изобретения
1. Акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн, включающее в себя одну подложку, изготовленную из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением, на котором сформированы: первая ступень вращения плоскости поляризации оптического сигнала в первом интервале длин волн, включающая в себя, по меньшей мере, один оптический волновод, через который проходит указанный сигнал; вторая ступень вращения плоскости поляризации оптического сигнала во втором интервале длин волн, включающая в себя, по меньшей мере, один оптический волновод, через который проходит указанный сигнал; по меньшей мере, один оптический связывающий волновод, соединенный с указанными первой и второй ступенями, несущий поляризатор; по меньшей мере, один оптический волновод, расположенный за указанной второй ступенью, несущий поляризационно-селективный элемент, причем, по меньшей мере, одна из указанных первой и второй ступеней содержит приспособления для генерирования поверхностной акустической волны, отличающееся тем, что указанный поляризатор содержит поляризационно-оптический элемент связи с нераспространяющейся волной. 2. Акустооптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка содержит акустический волновод, включающий, по меньшей мере, одну секцию одного из оптических волноводов первой и второй ступеней. 3. Акустооптическое устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит первый акустический волновод, расположенный на протяжении части подложки, включающий оптический волновод первой ступени, и второй акустический волновод, расположенный на протяжении части подложки, включающий оптический волновод второй ступени. 4. Акустооптическое устройство по п.2, отличающееся тем, что приспособления для генерирования поверхностной акустической волны расположены внутри, по меньшей мере, одного из акустических волноводов, вблизи от одного конца волновода, для однонаправленного распространения указанной акустической волны в акустическом волноводе. 5. Акустооптическое устройство по п.4, отличающееся тем, что приспособление для генерирования поверхностной акустической волны включает группу электродов встречно-штыревой конструкции, расположенных поперек акустического волновода. 6. Акустооптическое устройство по п.5, отличающееся тем, что содержит акустический поглотитель, расположенный на конце акустического волновода. 7. Акустооптическое устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит акустический поглотитель, расположенный на конце акустического волновода, противоположном тому концу, на котором расположены приспособления для генерирования поверхностной акустической волны. 8. Акустооптическое устройство по п.4, отличающееся тем, что приспособление для генерирования поверхностных акустических волн состоит из двух групп электродов встречно-штыревой конструкции, расположенных на предварительно определенном расстоянии друг от друга, соответственно снабженных первым электрическим сигналом переменного напряжения и вторым электрическим сигналом, полученным путем сдвига первого электрического сигнала на 90o, для генерирования однонаправленной акустической волны. 9. Акустооптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что включает два параллельных оптических волновода на каждой из первой и второй ступеней и два оптических волновода, связывающих первую и вторую ступени, где каждый оптический связывающий волновод несет один поляризатор, приспособленный для передачи одной или двух компонент взаимно перпендикулярных поляризаций, и где по меньшей мере один из поляризаторов состоит из поляризационного элемента связи с нераспространяющейся волной. 10. Акустооптическое устройство по п.9, отличающееся тем, что один из поляризаторов является поляризатором, пропускающим волны ТЕ типа, и содержит металлический слой, покрывающий соответствующий оптический волновод, связывающий первую и вторую ступени с буферным слоем, введенным между ними. 11. Акустооптическое устройство по п.9, отличающееся тем, что каждый из поляризаторов содержит поляризационный элемент связи с нераспространяюшейся волной. 12. Акустооптическое устройство по п.11, отличающееся тем, что оба поляризационных элемента связи с нераспространяющейся волной являются элементами связи полосовой передачи для соответственной проходящей поляризации. 13. Акустооптическое устройство по п.11, отличающееся тем, что один из поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной является элементом связи полосовой передачи для соответственной проходящей поляризации, а второй из поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной является элементом связи перекрестной передачи, для соответственной проходящей поляризации. 14. Акустооптическое устройство по п.13, отличающееся тем, что второй поляризационный элемент связи с нераспространяющейся волной связан с соответственным оптическим связывающим волноводом с помощью изогнутой волноводной секции. 15. Акустооптическое устройство по п.13, отличающееся тем, что второй поляризационный элемент связи с нераспространяющейся волной содержит прямую центральную секцию, образующую ненулевой угол по отношению к связывающему волноводу. 16. Акустооптическое устройство по п.11, отличающееся тем, что, по крайней мере, один из поляризаторов содержит два поляризационных элемента связи с нераспространяющейся волной. 17. Акустооптическое устройство по п.16, отличающееся тем, что каждый из поляризаторов содержит два поляризационных элемента связи с нераспространяющейся волной. 18. Акустооптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоупругим материалом с двойным лучепреломлением является LiNbo3. 19. Акустооптическое устройство по п.18, отличающееся тем, что оптические волноводы и поляризационные элементы связи с нераспространяющейся волной изготавливаются путем фотолитографического маскирования, осаждения металлического слоя и последующей диффузии металла внутрь. 20. Акустооптическое устройство по п.19, отличающееся тем, что металлом является титан. 21. Способ изготовления акустооптического волноводного устройства для селекции длин волн, заключающийся в том, что: формируют, по меньшей мере, один акустический волновод на подложке, наготовленной из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением, путем диффузии первого металла внутрь указанной подложки; формируют первый и второй поляризационно-оптические элементы связи с нераспространяющейся волной на указанной подложке путем фотолитографического осаждения и последующей диффузии второго металла внутрь самой подложки, а также, по меньшей мере, один оптический связывающий волновод между указанными поляризационно-оптическими элементами связи, причем оптический связывающий волновод является, по меньшей мере, частично включенным в указанный акустический волновод; формируют поляризатор вдоль оптического связывающего волновода; формируют электроакустический преобразователь, содержащий электроды встречно-штырьковой конструкции внутри, по меньшей мере, одного из указанных акустических волноводов путем фотолитографического осаждения третьего металла на указанную подложку, отличающийся тем, что указанную стадию формирования поляризатора включают в указанную стадию формирования указанных первого и второго поляризационно-оптических элементов связи и указанного оптического связывающего волновода, и эта стадия формирования поляризатора заключается в формировании третьего поляризационно-оптического элемента связи с нераспространяющейся волной. 22. Способ изготовления акустооптического устройства по п.21, отличающийся тем, что первый, второй и третий поляризационные элементы связи с нераспространяющейся волной идентичны друг другу. 23. Способ изготовления акустооптического устройства по п.21, отличающийся тем, что включает формирование на подложке путем фотолитографического осаждения и последующей диффузии указанного второго металла внутрь самой подложке первого и второго оптических волноводов, связывающих первый и второй поляризационные элементы связи, эти оптические волноводы являются, по крайней мере, частично включенными в акустический волновод, и формирование поляризатора вдоль каждого из указанных оптических связывающих волноводов. 24. Способ изготовления акустооптического устройства по п.23, отличающийся тем, что стадию формирования поляризаторов включают в стадию формирования первого и второго поляризационных элементов связи и оптических связывающих волноводов и она состоит в формировании третьего и четвертого поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной вдоль первого и второго оптических связывающих волноводов соответственно. 25. Способ изготовления акустооптического устройства по п.24, отличающийся тем, что первый, второй, третий и четвертый поляризационные элементы связи с нераспространяющейся волной являются идентичными друг другу.Описание изобретения к патенту
Настоящее изобретение относится к акустооптическому волноводному устройству для селекции длин волн. Действие акустооптического волноводного устройства основано на взаимодействии между световыми сигналами, распространяющимися вдоль оптических волноводов, формируемых на субстрате из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением и акустическими волнами, генерированными соответствующими преобразователями на поверхности субстрата. Такое устройство, в частности, может использоваться как оптический фильтр. При помощи регулировки частоты акустических волн возможно настраивать кривую спектрального отклика фильтра, что делает фильтр пригодным, например, для разделения каналов в системе оптической связи с объединением по длинам волн, для настройки длины волны излучения в объемном резонаторе лазера или восстановления формы импульсов в системе импульсной оптической связи. В оптической телекоммуникационной системе с передачей с объединением по длинам волн (обычно обозначаемым WDM) несколько каналов, т.е. несколько передающих сигналов, независимых друг от друга, посылаются по одной и той же линии, обычно состоящей из оптического волокна, посредством объединения по оптическим длинам волн. Каналы передачи могут быть как цифровыми, так и аналоговыми и являются отличными друг от друга, потому что каждый из них связывается с конкретной длиной волны. Для того чтобы снова разделить отдельные каналы, требуются фильтры, которые должны быть способны передавать полосу длин волн, центрированную на длину волны одного канала, и существенно узкие для того, чтобы не пропускать длины волн, соответствующие соседним каналам. Перестраиваемые фильтры, в частности, позволяют изменять селекцию каналов и, следовательно, реконфигурировать систему без изменения кабельной разводки компонент. В частности, акустооптические фильтры являются подходящими для такого использования. Они также дают возможность одновременной селекции нескольких каналов: если акустическая волна, распространяющаяся на поверхности субстрата, является суперпозицией акустических волн с различными частотами, фильтр имеет полосу пропускания, соответствующую сумме интервалов различных длин волн, определяемых частотами акустических волн. При подходящем выборе таких частот полоса пропускания фильтра может регулироваться так, чтобы он передавал только требуемые длины волн, соответствующие выбранным каналам. Поляризационно-независимый плосковолноводный акустооптический фильтр описывается в статье D.A.Smith и др., опубликованной в Applied Physisc Letters, vol. 56, N 3, 15/01/90, pp. 209-211. Устройство (фиг. 1A) содержит поляризационный элемент связи на субстрате LiNbO3, который разделяет TE и TM компоненты падающего сигнала, два акустооптических поляризационных преобразователя, действующих параллельно на две компоненты, и поляризационный элемент связи, рекомбинирующий сигналы. Кривая спектральной передачи устройства имеет центральный пик с шириной полосы пропускания 1,3 нм и боковые лепестки. Теоретически было показано (как сообщалось, например, H.Herrmann и др. в Electronics Letters, vol. 28, N 11, 21/05/92, pp. 979-980), что в фильтрах такого типа, как описаны в вышеуказанной статье, первый боковой лепесток не ниже, чем теоретический предел в -9,4 дБ. Фильтр, описанный в статье, имеет единственную ступень акустооптического взаимодействия. Фильтры такого типа обеспечивают затухание при длинах волн вне передающей полосы, которое является несущественным для упомянутых выше применений. Кроме того, при прохождении через фильтр компоненты двух поляризаций под влиянием взаимодействия с акустической волной претерпевают изменение длины волны, которое является различным для двух компонент. Могут быть созданы акустические фильтры, снабженные второй ступенью фильтрации на одном и том же субстрате из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением: двухступенчатые устройства имеют кривую спектрального отклика, характеризуемую большим затуханием вне полосы пропускания по сравнению с одноступенчатыми фильтрами и имеют боковые лепестки уменьшенной передачи. Помимо этого, в двухступенчатых устройствах вторая ступень может компенсировать для оптической частоты изменение, имеющее место на первой ступени, с помощью величины, соответствующей частоте акустической волны так, чтобы восстановить начальную частоту. Двухступенчатый плосковолноводный интегрированный акустооптический фильтр описывается в US Patent 5381426 на имя Заявителя (фиг. 18), он предусмотрен для использования в качестве управляемого фильтра селекции длин волн в объемном резонаторе активного лазера с синхронизованными модами. US Patent 5002349 на имя Cheng и др. описывает плосковолноводное интегрированное акустооптическое устройство на субстрате LiNbO3. В одном варианте устройства, показанном на фиг. 2A, это устройство изготовлено путем совмещения на одном и том же субстрате двух поляризационно-независимых акустооптических фильтров, причем каждый из указанных фильтров включает два волноводно-поляризационных расщепителя для разделения и рекомбинирования двух TE и TM компонент соответственно, перед и после стадий акустооптического взаимодействия. Для того чтобы калибровать поляризационно-расщепительное свойство, каждый из поляризационных расщепителей снабжен электродами; для каждого поляризационного расщепителя проводится независимая настройка при помощи указанных электродов. Заявитель отметил, что затухание, которое оптические сигналы испытывают при прохождении через такое устройство, приблизительно в два раза больше, чем в одноступенчатом устройстве, благодаря четырем прохождениям через поляризационные расщепители. Также Заявитель обнаружил, что устройство становится усложненным из-за присутствия калибровочных электродов, хотя схемы электрической настройки и управления выполняются обязательно. Кроме того, при отсутствии электродов, передача каждого расщепителя зависела бы не только от поляризации, но также слабо зависела бы от длины волны, как результат конструктивных допусков; для каждого расщепителя интервал длин волн, соответствующий слабому затуханию передаваемой поляризационной компоненты, был бы немного различным. За счет размещения различных расщепителей последовательно полная полоса слабого затухания уменьшается до пересечения интервалов слабого затухания каждого отдельного расщепителя. Благодаря присутствию четырех последовательных поляризационных расщепителей устройство имело бы избыточное затухание или по крайней мере уменьшенный интервал настройки по сравнению с требованиями ранее перечисленных применений. Более того, полная длина описанного устройства оказывается по меньшей мере в два раза больше, чем длина одноступенчатого устройства, достигая таким образом критической величины по отношению к ограниченным размерам в наибольшей степени доступных LiNbO3 подложек. Двухступенчатый плосковолноводный интегрированный поляризационно-независимый акустооптический фильтр также описывается в статье F. Tian и др., опубликованной в Journal of Lightwave Technology, vol. 12, N 7, July 1994, pp. 1192-1197. Он включает (фиг. 2B) два однополяризационных фильтра на подложке LiNbO3 с поляризациями, перпендикулярными друг другу, действующими параллельно, и два поляризационных элемента связи/расщепителя для расщепления и рекомбинации компонент оптического сигнала, соответствующих двум перпендикулярным поляризациям. Однополяризационные фильтры включают поляризаторы, пропускающие волны TE и TM типов соответственно. Поляризатор, пропускающий волны TM типа, состоит, в частности, из волновода, вдоль которого на двух участках длиной 1,5 мм, примыкающих к волноводу с обеих сторон, показатель преломления для необыкновенной волны больше, чем в материале, формирующем подложку. Это служит причиной того, что TE компонента поляризации, которая далее не проводится, отделяется в подложке, тогда как TM компонента поляризации может проходить через структуру. Увеличение показателя преломления для необыкновенной волны достигается с помощью метода протонного обмена, состоящего в осуществлении контакта указанных областей с раствором кислоты в течение предварительно определенного периода времени и при соответствующей температуре, таким образом, чтобы достигнуть замещения части ионов Li+ подложки ионами H+, и в проведении последующей необязательной стадии термического отжига. В случае приведенной выше статьи протонный обмен осуществлялся в разбавленной бензойной кислоте при температуре 250oC в течение периода времени 15,5 часов, за ним следовал термический отжиг в течение 4 часов при температуре 330oC. Опыт Заявителя показал, что изготовление протонобменных поляризаторов вышеприведенного типа является очень рискованным, в частности, по причине высокой точности, требуемой при установке в заданное положение фотолитографических шаблонов, и ограниченных допустимых диапазонов для параметров, регулирующих процесс протонного обмена. Кроме того, была отмечена временная нестабильность спектральных свойств поляризаторов. Помимо этого, изготовление как поляризаторов, пропускающих волны TM типа, так и поляризаторов, пропускающих волны TE типа, требует особых стадий процесса, различающихся для поляризаторов каждого типа и отличающихся от стадий, требуемых для изготовления других компонент устройства, что делает процесс производства устройства длительным и сложным. Настоящее изобретение включает простое в изготовлении акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн, уменьшенного размера, снабженное широким интервалом настройки и имеющее спектральные характеристики, которые являются стабильными во времени. Кроме того, настоящее изобретение включает простой и надежный способ изготовления акустооптического волноводного устройства для селекции длин волн. С одной стороны, изобретение относится к акустооптическому волноводному устройству для селекции длин волн, включающему одну подложку из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением, на котором формируются:- первая ступень вращения плоскости поляризации оптического сигнала в первом интервале длин волн, включающая по меньшей мере один оптический волновод, через который проходит указанный сигнал;
- вторая ступень вращения плоскости поляризации оптического сигнала во втором интервале длин волн, включающая по меньшей мере один оптический волновод, через который проходит указанный сигнал;
- по меньшей мере один оптический волновод, связывающий указанные первую и вторую ступени, несущий одиночный поляризационно-селективный элемент;
- по меньшей мере один оптический волновод, расположенный за указанной второй ступенью, несущий поляризационно-селективный элемент; характеризуемому тем, что указанный одиночный поляризационно-селективный элемент состоит из поляризационного элемента связи с нераспространяющейся волной. В предпочтительном решении, по меньшей мере одна из указанных первой и второй ступеней включает приспособления для генерирования поверхностной акустической волны и наиболее предпочтительно указанная подложка содержит акустический волновод, включающий по меньшей мере одну секцию одного из указанных оптических волноводов указанных первой и второй ступеней. В конкретном варианте реализации изобретения это акустооптическое устройство содержит первый акустический волновод, расположенный на протяжении части подложки, включающей указанный оптический волновод указанной первой ступени, и второй акустический волновод, расположенный на протяжении части подложки, включающей указанный оптический волновод указанной второй ступени. Предпочтительно, чтобы указанные приспособления для генерирования поверхностной акустической волны располагались внутри по меньшей мере одного из указанных акустических волноводов, близко к одному концу волновода, для однонаправленного распространения указанной акустической волны в указанном акустическом волноводе и преимущественно включали группу электродов встречно-штыревой конструкции, расположенных поперек указанного акустического волновода; указанное акустооптическое устройство может содержать акустический поглотитель, расположенный на указанном конце указанного акустического волновода. Кроме того, устройство может содержать акустический поглотитель, расположенный на конце указанного акустического волновода, противоположном тому концу, на котором располагается приспособление для генерирования поверхностной акустической волны. Альтернативно, указанные устройства для генерирования поверхностных акустических волн могут состоять из двух групп электродов встречно-штыревой конструкции, расположенных на предварительно определенном расстоянии друг от друга, соответственно снабженных первым электрическим сигналом переменного напряжения и вторым электрическим сигналом, полученным путем сдвига указанного первого электрического сигнала на 90o, для генерирования однонаправленной акустической волны. В предпочтительном варианте реализации изобретения устройство включает два параллельных оптических волновода на каждой из указанных первой и второй ступеней и два оптических волновода, связывающих указанные первую и вторую ступени, где каждый оптический связывающий волновод несет один одиночный поляризационно-селективный элемент, приспособленный для передачи одной или двух компонент взаимно перпендикулярных поляризаций, и где по меньшей мере один из указанных одиночных поляризационно-селективных элементов состоит из поляризационного элемента связи с нераспространяющейся волной. В этой реализации изобретения один из указанных одиночных поляризационно-селективных элементов может быть поляризатором, пропускающим волны TE типа, и может содержать металлический слой, покрывающий соответствующий оптический волновод, связывающий первую и вторую ступени, с буферным слоем, введенным между ними. Альтернативно, оба указанных одиночных поляризационно-селективных элемента могут состоять из поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной. В последнем указанном альтернативном решении оба указанных поляризационных элемента связи с нераспространяющейся волной могут быть элементами связи полосовой передачи для соответственной проходящей поляризации, или один из указанных элементов связи с нераспространяющейся волной может быть элементом связи с полосовой передачей для соответственной проходящей поляризации, в то время как второй из указанных поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной является элементом связи перекрестной передачи, для соответственной проходящей поляризации; указанный второй поляризационный элемент связи с нераспространяющейся волной преимущественно связан с соответственным оптическим связывающим волноводом с помощью изогнутой волноводной секции и может содержать прямую центральную секцию, формирующую ненулевой угол по отношению к связывающему волноводу. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанным фотоупругим материалом с двойным лучепреломлением является LiNbO3, и в указанном варианте реализации изобретения указанные оптические волноводы и поляризационные элементы связи с нераспространяющейся волной преимущественно изготавливаются путем фотолитографического маскирования, нанесения металлического слоя и последующей диффузии металла внутрь субстрата, указанный металл преимущественно может быть титаном. С другой стороны, настоящее изобретение относится к способу изготовления акустооптического волноводного устройства для селекции длин волн, включающему следующие стадии:
- формирование по меньшей мере одного акустического волновода на одной подложке, сделанной из фотоупругого материала с двойным лучепреломлением, путем диффузии первого металла внутрь указанной подложки;
- формирование первого и второго поляризационного элемента связи с нераспространяющейся волной на указанной подложке путем фотолитографического осаждения и последующей диффузии второго металла внутрь самой подложки, а также по меньшей мере одного оптического волновода для связи между указанными поляризационными элементами связи, где оптический волновод является по крайней мере частично включенным в указанный акустический волновод;
- формирование одного одиночного поляризационно-селективного элемента вдоль указанного оптического связывающего волновода;
- формирование электроакустического преобразователя, содержащего электроды встречно-штыревой конструкции внутри по меньшей мере одного из указанных акустических волноводов путем фотолитографического осаждения третьего металла на указанный субстрат;
характеризуемому тем, что указанная стадия формирования одиночного поляризационно-селективного элемента включается в указанную стадию формирования указанного первого и второго поляризационных элементов связи и указанного оптического связывающего волновода и состоит в формировании третьего поляризационного элемента связи с нераспространяющейся волной. Предпочтительно, чтобы указанные первый, второй и третий поляризационные элементы связи были идентичны друг другу. В преимущественном варианте этот процесс включает формирование на указанной подложке путем фотолитографического осаждения и последующей диффузии внутрь указанной подложки указанного второго металла, первого и второго оптических связывающих волноводов между первым и вторым поляризационными элементами связи, где оптические волноводы являются по крайней мере частично включенными в указанный акустический волновод; и включает формирование одного одиночного поляризационно-селективного элемента вдоль каждого из указанных оптических связывающих волноводов. Предпочтительно, чтобы указанная стадия формирования указанных поляризационно-селективных элементов включалась в указанную стадию формирования указанного первого и второго поляризационных элементов связи и указанных оптических связывающих волноводов и состояла в формировании третьего и четвертого поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной вдоль указанного первого и второго оптических связывающих волноводов соответственно. Более предпочтительно, чтобы указанные первый, второй, третий и четвертый поляризационные элементы связи с нераспространяющейся волной были идентичны друг другу. В большей степени детали изобретения будут ясны из следующего описания со ссылкой на приведенные рисунки, где:
- фиг. 1A, 1B - две схемы, показывающие акустооптические фильтры, соответствующие известной технологии;
- фиг. 2A, 2B - две схемы, показывающие акустооптические фильтры, соответствующие известной технологии;
- фиг. 3A, 3B показывают два графика, относящиеся к температурному изменению спектрального отклика поляризаторов, пропускающих волны TM типа, соответствующих известному уровню технологии;
- фиг. 4 - схема, показывающая акустооптический фильтр, соответствующий изобретению;
- фиг. 5 - схема, показывающая поляризационный элемент связи с нераспространяющейся волной, используемый в настоящем изобретении;
- фиг. 6A, 6B, 6C представляют собой графики, показывающие коэффициент расщепления поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной в волноводе по отношению к длине общей волноводной секции (A), длине волны (B, C);
- фиг. 7 показывает схему однонаправленного электроакустического преобразователя;
- фиг. 8 - схема акустооптического фильтра, соответствующего альтернативной реализации изобретения;
- фиг. 9 - схема поляризационно-независимого акустооптического фильтра, соответствующего изобретению;
- фиг. 10 - схема волноводного поляризатора, пропускающего волны TE типа, используемого в устройстве, показанном на фиг. 9;
- фиг. 11 - схема поляризационно-независимого акустооптического фильтра, соответствующего изобретению;
- фиг. 12 - схема поляризационно-независимого акустооптического фильтра, соответствующего другой альтернативной реализации изобретения;
фиг. 13 - схема поляризационно-независимого акустооптического фильтра, соответствующего еще одной альтернативной реализации изобретения. Волноводный интегрированный акустооптический фильтр описывается в US Patent 5381426 на имя того же заявителя. Он будет описан со ссылкой на фиг. 18, соответствующую фиг. 3 в указанном патенте. Фильтр 16 состоит из субстрата 18, выполненного на кристалле LiNbO3, срезанного по правым углам к оси x, на котором оптический канальный волновод 19, имеющий направление распространения вдоль оси y, одномодовый в полосе длин волн, представляющий интерес (1530 <
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169118/955.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169118/955.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169039/920.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169060/916.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169060/916.gif)
C = 0 мкм
D = 14 мкм
E = 5 мм
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169039/920.gif)
Для эффективного расщепления TE и TM компонент, возникающих в устройстве, расстояния A и B должны составлять по меньшей мере 30 мкм для поляризационных элементов связи, имеющих установленные выше параметры. В устройстве, созданном Заявителем, величины A и B для элементов связи 32, 40 и 37 составляют 30 мкм. Также расстояния между волноводами 35, 36 и областями 42, 43 при большей скорости, чем скорость акустических волн, должно быть больше, чем минимальное расстояние, зависящее от оптических характеристик материалов и размеров волноводов. В том случае, когда как субстрат, так и оптические волноводы являются такими же, как в устройстве, созданном Заявителем, указанное расстояние составляет по меньшей мере 35 мкм, предпочтительно по крайней мере 40 мкм, для того, чтобы избежать оптических потерь, происходящих из-за взаимодействия части оптических сигналов с областями 42, 43, которые, благодаря диффузии титана, имеют оптический показатель преломления выше, чем показатель преломления подложки. Волновод доступа 2 элемента связи 32 и волновод доступа 2 элемента связи 40 сделаны так, что их длина больше длин других волноводов доступа. Излучение из этих волноводов распространяется через полосу 42, ограничивающую акустический волновод, который имеет показатель преломления выше, чем подложка, и возникает из полосы 42 путем диффузии с поверхности полосы или благодаря потерям Френеля на конце самой полосы. Для того чтобы улучшить поглощение излучения, распространяющегося вдоль этих волноводов доступа, могут быть использованы оптические поглотители 51, которые сделаны, например, с помощью осаждения металлического слоя на соответственный волновод в пределах длины 3 или 4 мм. Оптические поглотители могут быть созданы в ходе тех же стадий процесса, что и электроакустические преобразователи. Для того чтобы установить оптимальную величину Lc для поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной 32, 40 и 37, были проведены экспериментальные испытания, результаты которых суммированы на фиг. 6A. Несколько различных элементов связи с нераспространяющейся волной были сделаны в соответствии со схемой, показанной на фиг. 5, причем указанные элементы связи имеют установленные значения параметров и длину Lc, заключенную между 140 мкм и 540 мкм. На графиках фиг. 6A воспроизводится зависимость измеряемого коэффициента расщепления элементов связи SRx (выраженного в дБ) от длины Lc, выраженной в мкм, где коэффициент расщепления определяется следующим образом:
SRx = log(Px,1/Px,2)
где Px,1 - выходная мощность излучения x (TE или TM) поляризации, выходящего из одного из выходных волноводов (например, волновода доступа 2), в то время как
Px,2 - выходная мощность излучения x поляризации, выходящего из другого выходного волновода (волновода доступа 3, показанного в примере). На графиках фиг. 6A кривая 61 относится к коэффициенту SRTM, в то время как кривая 62 относится к коэффициенту SRTE. Две кривые показывают периодичность поведения SRx при изменении Lc с различными периодами для двух поляризаций. Высокое абсолютное значение коэффициента расщепления для данной поляризации соответствует почти полному расщеплению компоненты, имеющей такую поляризацию по направлению к одному из двух выходных окон. Положительное значение коэффициента расщепления соответствует полосовой передаче через устройство, т. е. передаче, в которой сигнал почти полностью адресуется выходному волноводу, расположенному на той же самой стороне, что и выходной волновод, относительно центральной линии волновода 5 (волноводу доступа 2, если вход сигнала имеет место из волновода доступа 1, со ссылкой на фиг. 5). Отрицательное значение коэффициента расщепления, напротив, соответствует перекрестной передаче через устройство, т.е. передаче, в которой сигнал почти полностью адресуется выходному волноводу, расположенному на противоположной стороне
от входного волновода относительно центральной линии волновода 5 (волноводу доступа 3, если вход сигнала имеет место из волновода доступа 1, со ссылкой на фиг. 5). В случае кривой 61 (TM поляризация) воспроизведенный максимум для значений Lc порядка 180 мкм соответствует полосовой передаче. В случае кривой 62 (TE поляризация), наоборот, для значений Lc порядка 200 мкм воспроизведенный минимум соответствует перекрестной передаче. Оптимальное значение Lc достигается, когда коэффициент расщепления имеет высокое абсолютное значение одновременно для обеих поляризаций, с полосовой передачей для одной поляризации и перекрестной передачей для другой поляризации. На основе предыдущих рассмотрений выбиралась величина Lc = 180 мкм для поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной, которые используются в устройстве, согласно изобретению, из этой величины вытекает измеряемый коэффициент расщепления около 25 дБ для TM компоненты и примерно 25 дБ для TE компоненты, с полосовой передачей для TM компоненты и перекрестной передачей для TE компоненты. Соответствующее измеряемое затухание составляло около 0,4 дБ для TM компоненты и около 0,5 дБ для TE компоненты. Фиг. 6B и 6C представляют зависимость коэффициента расщепления от длины волны для поляризационных элементов связи с нераспространяющейся волной с Lc = 140 мкм для TM поляризации (фиг. 6B) и TE поляризации (фиг. 6C) соответственно. В акустооптическом устройстве фиг. 4 элементы связи 32 и 37 связаны таким образом, чтобы использовать перекрестную передачу, т.е. они действуют как поляризаторы, пропускающие волны TE типа; элемент связи 40 связан таким образом, чтобы использовать полосовую передачу, т.е. он действует как поляризатор, пропускающий волны TM типа. Электроакустический преобразователь 44 генерирует, начиная с электрического сигнала подходящей частоты, акустическую волну, распространяющуюся внутри акустического волновода 41. В случае пьезоэлектрического субстрата (такого, как LiNbO3), этот преобразователь преимущественно изготавливается из электродов встречно-штыревой конструкции, помещенных на субстрат 30. В случае субстрата, сделанного из непьезоэлектрического материала, электроды встречно-штыревой конструкции могут быть помещены на слой из пьезоэлектрического материала, покрывающий подложку. Как показано в US Patent 5002349, упомянутом выше, если подложка сделана из LiNbO3, электроакустический преобразователь может быть преимущественно помещен на подложку с углом наклона около 5o к оси y. В акустооптическом устройстве, созданном Заявителем, электроакустический преобразователь образуется пятью парами электродов встречно-штыревой конструкции, имеющими периодичность 21,6 мкм, которая соответствует величине длины поверхностной акустической волны в LiNbO3, имеющей частоту примерно 173,5 МГц, которая необходима для TE < -- > TM конверсии при оптической длине волны около 1550 нм. Будет очевидно, что при модификации периодичности электродов возможно создать электроакустические преобразователи, которые адаптированы для акустооптических устройств, действующих в других полосах длин волн. Электроды встречно-штыревой конструкции могут быть изготовлены путем нанесения металлического (например, алюминиевого) слоя, например, толщиной 500 нм на подложку. Можно наблюдать, что введение промежуточного V2O3 слоя помогает уменьшить потери в лежащих под ним оптических волноводах: в частности, незначительные потери могут быть получены с промежуточным слоем толщиной около 100 нм. Материалы различных типов, такие как SiO2 или Al2O3, могут использоваться для промежуточного слоя, и толщина может быть выбрана таким образом, чтобы минимизировать потери в лежащих под ним оптических волноводах без ослабления генерации акустических волн в подложку. Акустооптическое устройство может быть настроено на длины волн 1500 нм или 1600 нм, т. е. на 50 нм смещенных от центральной длины волны 1550 нм, посредством чего снабжая электроды встречно-штыревой конструкции энергией около 100 мВт в противоположность 50 мВт, требуемым для действия на центральной длине волны. Способ, используемый для изготовления акустооптического устройства, соответствующий изобретению, значительно упрощен по сравнению с процессом для изготовления устройства, соответствующим известной технологии. В частности, так как поляризатор, пропускающий волны TM типа, состоит из волноводного поляризационного элемента связи, он может быть образован на подложке в течение той же стадии процесса, в которой создаются остальные поляризационные элементы связи и оптические волноводы. Для акустооптического устройства вносимые потери, составлявшие величину, заключенную между 2,5 дБ и 3,5 дБ, определялись для сигналов, имеющих TE поляризацию (затухание, испытываемое оптическими сигналами, имеющими TE поляризацию и длину волны, соответствующую центру полосы пропускания при прохождении через устройство). Если также рассматриваются входное и выходное затухание, которые являются следствием взаимодействия между волноводом и двумя оптоволоконными частями, необходимыми для связи акустооптического устройства с другими компонентами оптической схемы, вносимые потери от сигналов TE поляризации составляют диапазон величин, заключенных между 4,0 дБ и 5 дБ. Было определено, что ширина полосы пропускания на половине максимума должна быть заключена между 1,2 нм и 2,0 нм. Боковые лепестки полосы пропускания имеют уменьшение, по крайней мере на 20 дБ, по отношению к центральному пику передачи. В наиболее благоприятных случаях было определено уменьшение на 25 дБ в боковых лепестках. Остаточный фоновый шум (затухание сигналов, имеющих длины волн вне полосы пропускания) оказывается ниже, чем 25 дБ. Описание акустооптического устройства адаптировано для использования в качестве фильтра регулируемой длины волны для сигналов определенной поляризации; в частности, оно адаптировано для использования в качестве фильтра селекции длин волн внутри объемного резонатора лазера, который может быть активного оптико-волоконного типа. Отдельная преимущественная конфигурация для описанного акустооптического устройства достигается путем подходящего подбора волн первой и второй ступеней так, что они находятся в соотношении приблизительно 1:1,6. Таким образом, минимумы кривой спектрального отклика, относящейся к первой ступени, совпадают с максимумами боковых лепестков кривой спектрального отклика, относящейся ко второй ступени так, что боковые лепестки кривой полного спектрального отклика в акустооптическом устройстве являются значительно уменьшенными. Для того чтобы провести полную TE --> TM --> TE конверсию с помощью двух ступеней с различными длинами, необходимо, чтобы акустическая мощность на первой ступени была выше, чем акустическая мощность на второй ступени, примерно на 4 дБ. Вышесказанное может быть достигнуто путем уменьшения акустической мощности на второй ступени с помощью подходящих акустических поглотителей, созданных вдоль акустического волновода между первой и второй ступенями, например с помощью микролитографического процесса. Альтернативно, описанная конструкция акустооптического устройства может быть модифицирована путем добавления акустических поглощающих приспособлений 46, расположенных вдоль акустического волновода 41, близко к концу волновода 35, связанного с элементом связи 40 и адаптированных для поглощения остаточной поверхностной акустической волны, второго электроакустического преобразователя 47, расположенного вдоль акустического волновода 41, близко к концу волновода 36, связанного с элементом связи 40 и адаптированного для генерации поверхностной акустической волны внутри акустического волновода 41 и акустических поглощающих приспособлений 49, расположенных вдоль акустического волновода 41, близко к концу волновода 36, связанного с элементом связи, и адаптированных для поглощения акустической волны, генерированной преобразователем 47, распространяющейся в направлении, противоположном направлению оптических сигналов. В этом методе поверхностные акустические волны, распространяющиеся на первой и второй ступенях, генерируются независимо одна от другой. Таким образом, акустические мощности на двух стадиях могут отличаться так, чтобы оптимизировать спектральные характеристики акустооптического устройства. Также возможно через это независимое управление поверхностной акустической волной на двух ступенях подбирать центры полос пропускания на двух стадиях, слегка отделенных друг от друга так, чтобы получать более широкую полосу пропускания для устройства. Наконец, независимое управление двумя ступенями позволяет уменьшить в два раза время, которое требуется для настройки акустооптического устройства. Действительно, время, которое требуется для того, чтобы акустическая волна прошла более длинную из двух ступеней в устройстве, меньше, чем время, необходимое для распространения вдоль целого акустического волновода, и составляет половину этой величины в случае ступеней, имеющих одинаковую длину. Когда акустооптическое устройство используется как фильтр для многоканальной селекции в системе оптической связи с объединением по длине волн, более короткое время настройки включает преимущество более быстрой реконфигурации системы. Альтернативное решение использования акустических поглощающих приспособлений 46 (и, возможно, 49) для поглощения распространяющейся в обратном направлении по отношению к оптическим сигналам поверхностной акустической волны состоит в применении однонаправленных электроакустических преобразователей вместо электроакустических преобразователей 44 (и, необязательно, 47). Преобразователи этого типа показаны в статье J.H.Collins и др., озаглавленной "Однонаправленный преобразователь поверхностной волны", опубликованной в Proceedings of the IEEE, Proceedings Letters of May 1969, pp. 833-835. Эти преобразователи могут быть созданы, как показано на фиг. 7, с помощью двух групп электродов 44" и 44"", размещенных на субстрате 30 на расстоянии (1/4 + n)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169004/8226.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169118/955.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169118/955.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169039/920.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169039/920.gif)
![акустооптическое волноводное устройство для селекции длин волн и способ его изготовления, патент № 2169936](/images/patents/302/2169039/920.gif)
Класс G02B6/126 с использованием эффектов поляризации
Класс G02B6/14 модовые преобразователи