Преобразователь на основе тонкой пленки электрооптического кристалла
THIN-FILM CONVERTER FOR ELECTRO-OPTICAL CRYSTAL

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям электрического поля.
Электрооптический преобразователь может быть использован для измерения напряженности электрического поля. Таким образом, преобразователь может быть промышленно применимым и иметь следующие области применения:
- контрольно-измерительные испытания на электромагнитную совместимость;
- контроль и измерение радиосетей;
- измерение электрических полей в метрологических целях.
Интегральная оптическая схема - фотонное устройство, изготовленное из оптически-проницаемого кристалла и выполняющее функции обработки оптических сигналов. Любая оптическая интегральная схема содержит в себе хотя бы один волновод. Волновод - это неоднородная структура, состоящая из сердцевины - материала с большим показателем преломления, и оболочки - материала с меньшим показателем преломления. Оболочка располагается вокруг сердцевины волновода, разность показателей преломления оболочки и сердцевины волновода приводит к эффекту полного внутреннего отражения. Таким образом, свет распространяющиеся по волноводу, отражаясь от границы раздела оболочки и сердцевины, не выходит за предел волновода.
Интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ) - типовая волноводная структура, широко используемая в интегральной оптике. ИМЦ состоит из двух прямолинейных волноводов (входной и выходной); двух Y-муфт - волноводов, расходящихся на 2 волновода; плечей - двух параллельных прямолинейных волноводов, соединяющих две Y-муфты между собой. К выходу входного волновода присоединена первая Y-муфта, играющая роль разветвителя, к выходам первой муфты присоединены плечи - два прямолинейных параллельных волновода, соединяющих выход первой муфты со входами второй муфты, играющей роль соединителя, выход второй муфты соединяется с выходным волноводом.
Использование оптических интегральных схем на основе тонких пленок электрооптических кристаллов при разработке электрооптических сенсоров и преобразователей позволит уменьшить размер устройств и, соответственно, увеличить диапазон частот, в котором возможно проводить измерения.
Известен электрооптический сенсор электрического поля, основанный на интерферометре Фабри-Перо (US 5041779A, Int. Cl. G01R 31/00, опубл. 20.08.1991). Недостатком этого сенсора является использование объемных оптических элементов (такие как линзы, зеркала и пр.) и также использование объемного образца электрооптического кристалла в качестве чувствительного элемента, что делает невозможным исполнение такой конструкции в интегральном исполнении и также ограничивает возможности по ее миниатюризации.
Известен электрооптический сенсор электрического поля, основанный на ячейке Поккельса (CA 2239722C, Int. Cl. G01R 31/00, опубл. 19.06.1997). Недостаток данного технического решения заключается в том, что модулятор на основе ячейки Поккельса имеет в два раза меньший динамический диапазон по сравнению с модулятором в конфигурации интерферометра Маха-Цендера.
Известен электрооптический сенсор электрического поля, основанный на оптическом волокне с использованием нелинейного электрооптического эффекта Керра (US 005936395A, Int. Cl. G01R 31/00, опубл. 10.08.1999). Недостаток данного технического решения заключается в усложнении детектирования в виду использования нелинейного электрооптического эффекта. Детектирование в случае квадратичного электрооптического эффекта, по сравнению со случаем линейного электрооптического эффекта, усложняется тем, что для извлечения информации о величине воздействующего на сенсор электрического поля потребуется исполнение более сложной математической операции, в виду нелинейной характеристики изменения фазы, что может негативно сказаться на скоростных характеристиках сенсора.
Известен электрооптический сенсор, основанный на ИМЦ с доменно-инвертированной структурой в одном из плеч (US 5267336A, Int. Cl. G02B 6/10, опубл. 30.11.1993). Недостатком данного электрооптического сенсора является использование методов формирования волноводных структур (метод диффузии титана в объемный кристалл ниобата лития или метод протонного обмена в объемном кристалле ниобата лития), не предполагающих возможность миниатюризации волноводных структур.
Прототипом устройства является электрооптический сенсор электрического поля, основанный на двух фазовращательных оптических волноводах (US 005488677A, Int. Cl. G02F 1/035, опубл. 30.01.1996). Прототип состоит из оптической волноводной схемы ИМЦ, выполненной на подложке, корпуса, содержащего ИМЦ, электроды, расположенные в области плеч ИМЦ и подключенные к антенне, закрепленной на корпусе. Недостатком прототипа является необходимость подключения внешнего источника лазерного излучения и приемника лазерного излучения.
Предлагаемый преобразователь, также как и прототип, имеет оптическую волноводную схему ИМЦ, сформированную на подложке из кремния и диоксида кремния, имеет вынесенную за пределы оптической схемы антенну и электроды, расположенные параллельно плечам ИМЦ, подключенные к антенне.
К существенным признаками предлагаемого преобразователя, как технического решения, относятся:
1) наличие волноводных структур, сформированных из гребенчатых волноводов;
2) использование в качестве основы для формирования гребенчатых волноводов, тонких пленок электрооптического кристалла на подложке из кремния и диоксида кремния;
3) наличие лазера и фотодетектора, монолитно интегрированных в подложку.
Преобразователь основан на ИМЦ, сформированном на основе гребенчатых волноводов, на подложке из кремния и диоксида кремния. Использование подложки из кремния и диоксида кремния позволяет интегрировать в подложку оптоэлектронную часть сенсорной системы, что делает возможным расположение всей сенсорной системы на одном чипе.
Техническим результатом изобретения является миниатюризация устройства, увеличение полосы рабочих частот и монолитная интеграция оптоэлектронных компонент в полупроводниковую подложку.
Технический результат миниатюризации достигается за счет использования тонких пленок электрооптического кристалла в качестве основы для волноводных структур.
Технический результат увеличение полосы частот достигается за счет того, что использование тонких пленок в качестве основы для формирования гребенчатых волноводов позволяет уменьшить длину ИМЦ, что позволяет использовать более короткие электроды, способные передавать более высокочастотные сигналы, для подачи электрического поля.
Данный технический результат подтверждается математически. Ширина частотной полосы пропускания электродов по уровню -3 дБ определяется выражением:
c
n
L
1
r
где  - скорость света в вакууме,  - показатель преломления тонкой пленки электрооптического кристалла, из которой сформированы волноводные структуры, ε - относительная диэлектрическая проницаемость тонкой пленки электрооптического кристалла,  - длина электродов. Из выражения (1) ясно, что поскольку ширина полосы пропускания обратно пропорциональна длине электродов, то уменьшение длины электродов, возможное благодаря миниатюризации оптической волноводной схемы, приведет к увеличению полосы пропускания электродов.
Технический результат интеграция оптоэлектронных компонент в подложку достигается за счет использования подложки из кремния и диоксида кремния.
Принцип работы преобразователя заключается в электрооптической модуляции интенсивности лазерного излучения внешним электрическим полем. Уровень интенсивности излучения на выходе волноводных структур изменяется в зависимости от напряженности внешнего электрического поля.
На фиг.1 изображена схема устройства: 1 - вынесенная антенна, 2 - электроды, расположенные параллельно плечам ИМЦ; 3 - монолитно интегрированный в кремниевую подложку источник лазерного излучения; 4 - входной волновод ИМЦ выполненный из тонкой пленки электрооптического кристалла; 5 - Y-муфта ИМЦ, играющая роль разветвителя оптической мощности, выполненная из тонкой пленки электрооптического кристалла; 6 - плечи ИМЦ; 7 - Y-муфта ИМЦ, играющая роль соединителя оптической мощности; 8 - выходной волновод ИМЦ; 9- монолитно интегрированный в подложку фотодетектор.
Вышеописанная волноводная структура ИМЦ, сформированная из гребенчатых волноводов расположена на подложке из кремния и диоксида кремния. Ко входному волноводу ИМЦ пристыкован монолитно интегрированный в подложку источник лазерного излучения, к выходу ИМЦ - монолитно интегрированный в подложку фотодетектор. Параллельно плечам ИМЦ установлены электроды, подключенные к внешним антеннам.
Внешнее электрическое поле передается с антенны (1) на электроды (2) установленные параллельно плечам ИМЦ (6), из-за чего в плече ИМЦ (6) возникает линейный электрооптический эффект. Лазерный излучатель (3) направляет свое излучение в ИМЦ через входной волновод (4), излучение распространяется через Y-муфту (5), играющую роль разветвителя, проходит через плечи ИМЦ (6), разделенные потоки излучения встречаются во второй Y-муфте (7), играющей роль соединителя, выходят в выходной волновод ИМЦ (8) и попадают на монолитно интегрированный в подложку фотодетектор (9). Наличие электрооптического эффекта в плече ИМЦ (6) вызывает изменение величины интенсивности лазерного излучения. Приемник фиксирует величину интенсивности излучения на выходе из интерферометра. Уровень интенсивности оптического излучения, измеренный фотодетектором, позволяет сделать вывод о наличии электрического поля во внешней среде и определить величину напряженности поля.
Поскольку предлагаемый преобразователь содержит в себе оптическую тонкопленочную интегральную волноводную схему на подложке из кремния и диоксида кремния, в качестве материала для изготовления волноводной оптической схемы может служить любой электрооптический кристалл, который может быть изготовлен в виде тонкой пленки и имеет показатель преломления больший, чем у диоксида кремния. Таким образом, электрооптическими кристаллами, подходящими под вышеизложенный критерий, являются: ниобат лития, танталат лития и дигидрофосфат калия.
На фиг.2 изображен вид на оптическую волноводную схему ИМЦ сверху: 10 - слой диоксида кремния.
Аналогично, на фиг.3 представлен вид на оптическую волноводную схему спереди: 11 - кремниевая основа подложки.
На фиг.4 изображена зависимость коэффициента передачи ИМЦ, выполненного из электрооптического кристалла, по интенсивности от величины приложенного напряжения.
На фиг.5 изображен поперечный срез примера реализации гребенчатого волновода из тонкой пленки электрооптического кристалла на подложке из кремния и диоксида кремния: 12 - гребенчатый волновод из тонкой пленки электрооптического кристалла.