ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ВОЗБУЖДАЕМОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СДВИГА ЧАСТОТЫ
ELECTRICALLY ACTUATED OPTICAL FREQUENCY SHIFTING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
В общем, настоящее изобретение относится к электрически возбуждаемому оптическому устройству для сдвига частоты, в частности, предназначенному для использования в оптической системе для сдвига частоты оптического сигнала, распространяющегося в оптическом волноводе, до очень высоких частот.
Уровень техники
3
Как известно, с ранней поры телефона и телеграфа связные сигналы традиционно передают по медным проводам и кабелям. Однако в последние годы связные сигналы в возрастающем объеме передают в виде световых пучков по оптическим волноводам. На основе оптических волноводов разработано периферийное оборудование различных видов, например соединительные устройства и переключатели. В частности, при оперировании оптическими связными сигналами широко используют технологию, известную как интегральная оптика. Используя эту технологию, связные сигналы в виде световых пучков передают по оптическим волноводам, образованным в подложках, изготовленных из электрооптических материалов, таких как ниобат лития (LiNbO), который, вероятно, является наиболее широко используемым материалом вследствие его хороших электрооптических свойств и возможности изготовления оптических волноводов с низкими потерями.
Хотя в настоящее время интегральную оптику широко используют при передаче сигналов, удовлетворение непрекращающегося спроса на оптические приборы, работающие на все более высоких частотах, ограничивается трудностью изготовления оптических устройств для сдвига частоты с соответствующими характеристиками.
На фиг.1 показано стандартное представление оптического устройства для сдвига частоты, имеющего оптический вход, где принимается входной оптический сигнал с входной оптической частотой, электрический вход, где радиочастотный электрический сигнал возбуждения с электрической частотой в диапазоне сверхвысоких частот принимается для электрического возбуждения оптического устройства для сдвига частоты, и оптический выход, на который подводится выходной оптический сигнал с выходной оптической частотой, равной входной оптической частоте входного оптического сигнала, повышенной на электрическую частоту электрического сигнала возбуждения. На фиг.1 также показаны оптические спектры входного и выходного оптических сигналов, а также временная диаграмма электрического сигнала возбуждения.
3
На фиг.2 показано схематичное представление известного оптического устройства 1 для сдвига частоты, которое, в основном, включает в себя оптическую волноводную структуру 2, сформированную обычным образом в подложке 3 (показанной на следующей фиг.3) из электрооптического материала, обычно ниобата лития (LiNbO), например избирательной диффузией титана в подложку 3.
Подложка 3 имеет кристаллическую структуру Х-среза, то есть кристаллическую структуру с осью Х кристалла, которая является ортогональной к основной поверхности 3а подложки 3 (то есть поверхности наибольшей площади); ориентация кристаллической структуры обуславливает связь электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, в основном, вдоль оси Z кристалла кристаллической структуры, то есть электрооптическая связь вдоль двух других осей кристалла является пренебрежимо малой по сравнению с электрооптической связью вдоль оси Z кристалла.
3
33
В действительности, электрооптический эффект обуславливает пространственное изменение показателя преломления электрооптического материала в зависимости от интенсивности и направления внешнего электрического поля, приложенного к нему. В частности, вдоль данного пространственного направления показатель преломления изменяется пропорционально интенсивности электрического поля вдоль этого направления. Изменения показателя преломления вдоль трех осей X, Y и Z кристалла электрооптического материала можно вычислить путем скалярного умножения вектора электрического поля на матрицу 3×3 электрооптических коэффициентов. В случае кристалла LiNbO из числа электрооптических коэффициентов матрицы 3×3 электрооптический коэффициент, имеющий наибольшее значение, представляет собой r (≈30 пм/В), который связывает изменение показателя преломления, воздействующее на электромагнитные волны, поляризованные вдоль оси Z кристалла, с составляющей электрического поля вдоль той же самой оси.
Оптическая волноводная структура 2 содержит Y-образную волноводную структуру 4 и повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру 5, связанные последовательно. Y-образная волноводная структура 4 включает в себя входную ветвь 6, выполненную с возможностью связи при использовании с входным оптическим волокном (не показанным), и пару взаимно оптически связанных ветвей 7, ответвляющихся от входной ветви 6. Повернутая в противоположном направлении Y-образная волноводная структура 5 содержит пару взаимно оптически развязанных ветвей 8, связанных с соответствующими взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4 и сливающихся в выходную ветвь 9, выполненную с возможностью связи при использовании с выходным оптическим волокном (не показанным). Одна из взаимно оптически развязанных ветвей 8 из повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 структурирована таким образом, что наводит изменение фазы на π рад в оптическом сигнале, распространяющемся по ней.
связи
-αS
В частности, две взаимно оптически связанные ветви 7 из Y-образной волноводной структуры 4 разнесены на расстояние S (первое межволноводное расстояние), достаточно небольшое, чтобы гарантировалась взаимная оптическая связь, обычно находящееся в пределах от 5 до 10 мкм, тогда как две взаимно оптически развязанные ветви 8 из повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 разнесены на расстояние D (второе межволноводное расстояние), достаточно большое, чтобы предотвращалась взаимная оптическая связь. Кроме того, степень κ связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4 является функцией первого межволноводного расстояния S через коэффициент e пропорциональности, где α является обратной величиной расстояния, на котором коэффициент связи уменьшает до доли 1/е экстраполированное значение на нулевом расстоянии.
Оптическое устройство 1 для сдвига частоты также содержит электропроводную электродную структуру 10 толщиной 1-30 мкм, обычным способом сформированную из золота или аналогичных металлов над основной поверхностью 3а подложки 3, поверх взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4.
2
В частности, как показано на фиг.3, электродная структура 10 включает в себя внутренний электрод 11, расположенный между взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4, и пару внешних электродов 12, расположенных за пределами взаимно оптически связанных ветвей 7 по противоположным сторонам внутреннего электрода 11 и симметрично по отношению к нему. Диэлектрический (например, SiO) буферный слой 13 расположен между основной поверхностью 3а подложки 3 и электродной структурой 10 для предотвращения или минимизации поглощения оптической энергии электродной структурой 10.
Ω
33
Внешние электроды 12 обычно заземлены, тогда как на внутренний электрод 11 подается электрический сигнал возбуждения, имеющий электрическую частоту Ω и момент β, который является результатом приложения радиочастотного напряжения возбуждения между внутренним электродом 11 и внешними электродами 12. Радиочастотное напряжение возбуждения создает противоположные электрические поля между внутренним электродом 11 и внешними электродами 12; электрические поля имеют направление, по существу параллельное основной поверхности 3а (и оси Z кристалла) и поперечное соответствующей одной из взаимно оптически связанных ветвей 7, при противоположных ориентациях. Поскольку электрооптическим коэффициентом с принимаемым в расчет значением является только r, эти противоположные электрические поля наводят противоположные изменения показателей преломления во взаимно оптически связанных ветвях 7 из Y-образной волноводной структуры 4.
S
S
S
S
S
S
Входной оптический сигнал, состоящий из единственной симметричной моды, с коэффициентом N распространения, оптической частотой ω и моментом β, и принимаемый на входной ветви 6 оптического устройства 1 для сдвига частоты, распространяется вдоль Y-образной волноводной структуры 4, которая вследствие взаимной оптической связи ее ветвей функционально воспринимается входным оптическим сигналом как единый волновод, который может поддерживать две отдельные супермоды с противоположной четностью, известные как симметричная супермода и антисимметричная супермода. В отсутствие других явлений, то есть присущих асимметрий и/или электрических возмущений, только симметричная супермода будет распространяться без возбуждения антисимметричной супермоды. Поэтому только единственная симметричная супермода с такой же мощностью, как и мощность входного оптического сигнала, показателем N распространения, оптической частотой ω и моментом β начинает распространяться по Y-образной волноводной структуре 4.
А
S
A
S
А
S
Ω
A
S
Ω
A
Во время распространения симметричная супермода находится под воздействием упомянутых выше противоположных изменений показателей преломления, и это приводит к частичной передаче энергии из симметричной супермоды к антисимметричной супермоде, которая начинает распространяться в дополнение к симметричной супермоде. Антисимметричная супермода имеет частоту ω, равную частоте ω симметричной супермоды, сдвинутой вверх на частоту Ω электрического сигнала возбуждения, подаваемого на внутренний электрод 11 (ω=ω+Ω), момент β равен моменту β симметричной супермоды, сдвинутому вверх на момент β электрического сигнала возбуждения, подаваемого на внутренний электрод 11 (β=β+β), (вследствие ограничивающего условия сохранения момента), и показатель N распространения.
А
Поэтому на выходе Y-образной волноводной структуры 4 присутствуют остаточная симметричная супермода и антисимметричная супермода, которые входят в повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру 5, в каждой ветви которой распространяется составной оптический сигнал, имеющий половину мощности входного оптического сигнала и содержащий симметричную моду с двумя лепестками одинакового знака и антисимметричную моду с двумя лепестками противоположных знаков. Во время распространения вдоль повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 в одном из двух составных оптических сигналов наводится изменение фазы на π рад, поэтому в выходной ветви 9 из повернутой в обратном направлении Y-образной волноводной структуры 5, где два составных оптических сигнала объединяются, получается суммирование двух лепестков антисимметричной моды в один выходной оптический сигнал, имеющий частоту ω, и взаимная компенсация двух лепестков оставшейся симметричной моды.
связи
связи
-αS
Резонансная частота Ω оптического устройства 1 для сдвига частоты, то есть электрическая частота Ω электрического сигнала возбуждения, который при подаче на электрический вход оптического устройства для сдвига частоты приводит к максимальной эффективности сдвига, задаются проектными характеристиками самого оптического устройства для сдвига частоты, и, в частности, она прямопропорциональна степени κ связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4; в свою очередь, степень κ связи пропорциональна e, где S является первым межволноводным расстоянием между взаимно оптически связанными ветвями 7 и дается следующей формулой:
S
A
связи
-αS
N-N ∝ κ ∝ e.
Поэтому повышение рабочей частоты можно получить, уменьшая первое межволноводное расстояние между S взаимно оптически связанными ветвями 7.
Задача и краткое изложение сущности изобретения
Заявитель убедился на опыте, что непрекращающуюся потребность в повышении резонансных частот и, следовательно, частотных сдвигов оптических устройств для сдвига частоты очень трудно удовлетворить в случае невозможности уменьшения межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями Y-образной волноводной структуры ниже определенных значений.
В действительности, как описывалось ранее, для получения частотного сдвига при электрооптической связи электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, необходимо, чтобы оптические сигналы, проходящие во взаимно оптически связанных ветвях из Y-образной волноводной структуры, подвергались воздействию противоположных изменений коэффициентов преломления для возбуждения антисимметричной супермоды. Чтобы получать такой результат, взаимно оптически связанные ветви располагают между внутренним электродом и внешними электродами, при этом электрические поля параллельны оси Z кристалла и имеют противоположные ориентации.
Чрезмерное уменьшение межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями из Y-образной волноводной структуры будет приводить к тому, что взаимно оптически связанные ветви будут располагаться под внутренним электродом, где электрические поля параллельны оси X кристалла и ориентированы в одинаковом направлении, что препятствует любой электрооптической связи между электрическим и оптическим полями.
С учетом изложенного выше заявитель отмечает, что современная архитектура оптических устройств для сдвига частоты представляет собой препятствие значительному повышению резонансной частоты и, следовательно, частотного сдвига, получаемого с помощью известных оптических устройств для сдвига частоты.
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованного оптического устройства сдвига частоты, в котором исключены ограничения известных оптических устройств для сдвига частоты, что позволяет получать более высокие рабочие частоты оптических приборов.
Эта задача решается настоящим изобретением, которое относится к оптическому устройству для сдвига частоты, определенному в прилагаемой формуле изобретения.
В настоящем изобретении упомянутая выше задача решается путем использования электрооптической подложки с кристаллической структурой Z-среза, содержащей два противоположно поляризованных участка, то есть участки, имеющие противоположные ориентации оси Z кристалла, и путем расположения внутреннего электрода, центрированного над границей, между двумя противоположно поляризованными участками, и, наконец, путем расположения взаимно оптически связанных ветвей из Y-образной волноводной структуры под внутренним электродом, очень близко друг к другу и по противоположным сторонам границы, так что взаимно оптически связанные ветви из Y-образной волноводной структуры располагаются на соответствующих участках подложки, имеющих противоположные ориентации оси Z кристалла.
33
Противоположные ориентации оси Z кристалла на двух участках подложки обуславливают наличие противоположных значений электрооптического коэффициента r на этих участках, и поэтому, даже если взаимно оптически связанные ветви из Y-образной волноводной структуры расположены в области подложки (под внутренним электродом), где электрические поля параллельны оси Z кристалла и ориентированы в одинаковом направлении, оптические сигналы, проходящие во взаимно оптически связанных ветвях из Y-образной волноводной структуры, подвергаются воздействию изменений противоположных показателей преломления, и поэтому возбуждается антисимметричная супермода и получается требуемый частотный сдвиг.
связи
С другой стороны, значительное уменьшение межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями из Y-образной волноводной структуры позволяет иметь значительно более высокую степень κ связи, и поэтому резонансная частота Ω оптического устройства для сдвига фазы также может быть заметно повышена.
Краткое описание чертежей
Теперь для лучшего понимания настоящего изобретения предпочтительные осуществления, которые предназначены только для примера и не должны толковаться как ограничивающие, будут описаны с обращением к сопровождающим чертежам (все не в масштабе), на которых:
фиг.1 - стандартное представление оптического устройства для сдвига частоты вместе с диаграммами, относящимися к его электрическому и оптическим сигналам;
фиг.2 - схематичное представление известного оптического устройства для сдвига частоты и оптических мод, распространяющихся по нему;
фиг.3 - сечение области оптического устройства для сдвига частоты из фиг.2; и
фиг.4 - сечение области оптического устройства для сдвига частоты согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных осуществлений изобретения
Нижеследующее рассмотрение представлено, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники выполнить и использовать изобретение. Различные модификации к осуществлениям без отступления от заявленного объема настоящего изобретения должны быть полностью очевидны для специалистов в данной области техники. Поэтому настоящее изобретение не предполагается ограниченным показанными осуществлениями, а в соответствии с самым широким объемом должно быть согласованным с принципами и признаками, раскрытыми в этой заявке и определенными в прилагаемой формуле изобретения.
На фиг.4 показано сечение области оптического устройства для сдвига частоты согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения, при этом теми же самыми позициями и знаками, что и позиции и знаки на фиг.3, обозначены аналогичные элементы, которые не будут описываться повторно.
33
Как показано на фиг.4, кристаллическая структура подложки 3 имеет ориентацию Z-среза, то есть представляет собой кристаллическую структуру с осью Z кристалла, которая является ортогональной к основной поверхности 3а подложки 3, над которой расположена электропроводная электродная структура 10. Такая конфигурация подложки обуславливает связь электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, в основном, вдоль оси Х кристалла кристаллической структуры, то есть электрооптическая связь вдоль других двух осей кристалла является пренебрежимо малой по сравнению с электрооптической связью вдоль оси Х кристалла. В действительности, в этом случае электрооптический коэффициент r с наиболее высоким значением из матрицы 3×3 электрооптических коэффициентов связывает изменение показателя преломления, проявляющегося в электромагнитных волнах, поляризованных вдоль оси Х кристалла, с составляющей электрического поля вдоль той же самой оси.
33
Кроме того, подложка 3, по меньшей мере в области, где расположена электродная структура 10, предварительно обработана так, что содержит два противоположно поляризованных участка 20, 21, то есть участки, имеющие противоположные ориентации оси Z кристалла (что схематично показано стрелками на фиг.4); противоположные ориентации обуславливают наличие противоположных значений электрооптического коэффициента r на двух противоположно поляризованных участках 20, 21, что приводит к наведению противоположных изменений показателей преломления электрическими полями, одинаково ориентированными вдоль оси Z кристалла.
33
Кроме того, внутренний электрод 11 электродной структуры 10 расположен над границей 22 между двумя противоположно поляризованными участками 20, 21 подложки 3, а взаимно оптически связанные ветви 7 из Y-образной волноводной структуры 4 расположены под внутренним электродом 11, очень близко друг к другу (разнесены на первое межволноводное расстояние S) и по противоположным сторонам границы 22. Следовательно, взаимно оптически связанные ветви 7 расположены на соответствующих участках подложки 3, имеющих противоположные ориентации оси Z кристалла и противоположные значения электрооптического коэффициента r. Кроме того, взаимно оптически связанные ветви 7 пересекаются электрическими полями, одинаково ориентированными вдоль оси Z кристалла, создаваемыми электрическим сигналом возбуждения, подаваемым на внутренний электрод 11 (внешние электроды 12 заземлены). В соответствии с этим противоположные изменения показателей преломления и в этом случае наводятся во взаимно оптически связанных ветвях 7 из Y-образной волноводной структуры 4, чем обеспечивается возможность передачи энергии из симметричной супермоды в антисимметричную супермоду. В настоящем осуществлении изобретения первое межволноводное расстояние S между взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4 находится в пределах от 1 до 5 мкм.
Из приведенного выше можно сразу же понять, что кристаллическая структура Z-среза подложки 3 и разделение подложки 3 на два противоположно поляризованных участка 20, 21, имеющих противоположные электрооптические коэффициенты, позволяют располагать взаимно оптически связанные ветви 7 под внутренним электродом 11 на месте, не принимаемом во внимание в известных оптических устройствах для сдвига частоты.
связи
Следовательно, взаимно оптически связанные ветви 7 расположены на расстоянии, которое намного меньше, чем в известных оптических устройствах для сдвига частоты. Таким способом достигается более высокая степень κ связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4 и, следовательно, более значительное повышение рабочей частоты.
Наконец, ясно, что многочисленные модификации и варианты могут быть сделаны к настоящему изобретению, все - попадающие в объем изобретения, определенный в прилагаемой формуле изобретения.
3
В частности, подложка 3 может быть выполнена из другого электрооптического материала Z-среза, такого как танталат лития (LiTaO) или титанил-фосфат калия.