ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР

Настоящая полезная модель относится к устройствам интегральной оптики, таким как волноводные каналы, разветвители, поляризаторы и модуляторы света, расположенные на единой подложке.
Интегрально-оптические модуляторы на основе ниобата лития являются ключевыми компонентами волоконно-оптических линий передач цифровых и аналоговых сигналов, передатчиков. Благодаря высоким скоростям модуляции, такие модуляторы находят широкое применение в таких областях, как высокоскоростные оптические сети, фотонные аналогово-цифровые преобразователи, фотонные линии связи и прочие системы микроволновой фотоники. В фотонных линиях в связи с внешней модуляцией для достижения широкой полосы необходимо использование широкополосного модулятора. Амплитудно-частотная характеристика модулятора (АЧХ), как правило, определяется рассогласованием скоростей сверхвысокочастотной бегущей волны и оптической волны, а также частотно-зависимыми потерями в электродах. Однако часто происходят резонансные явления, вызывающие провал в монотонно спадающей с частотой кривой амплитудно-частотной характеристике модулятора до достижения точки -3 дБ, предсказываемой из значений потерь в электродах и рассогласования скоростей. Данные провалы иногда являются фактором, ограничивающим рабочую полосу частот модулятора. При этом провалы бывают вызваны резонансным возбуждением мод подложки. Существуют широкополосные интегрально-оптические модуляторы, в которых борьба с утечкой энергии в паразитные моды ведется за счет уменьшения толщины кристаллической подложки или замещения ее другим материалом, однако это ухудшает механическую прочность подложки и усложняет технологию производства модулятора.
Известен интегрально-оптический СВЧ модулятор (см. патент US 8135241, МПК G02F 1/035, G02B 6/10, опубликован 13.03.2012), включающий пластину из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, волновод, сформированный в пластине, три электрода, выполненные на поверхности пластины для приложения электрического поля к волноводу, буферный слой и объем материала с низкой диэлектрической проницаемостью, заглубленный во избежание пересечения с волноводом в пластину из обладающего электрооптическим эффектом кристалла.
Достоинством известного интегрально-оптического модулятора является достижение гладкости амплитудно-частотной характеристики. Недостатком известного интегрально-оптического модулятора является то обстоятельство, что введение материала с иной диэлектрической проницаемостью внутрь пластины требует дополнительных сложных технологических операций, при этом теряется механическая однородность, а соответственно усиливается влияние изменения температуры и других внешних факторов.
Ликвидация резонансных пиков в АЧХ модулятора достигается за счет размещения в толще кристаллической пластины материала, обладающего низкой диэлектрической проницаемостью в СВЧ диапазоне.
Известен интегрально-оптический модулятор (см. патент US 7068863, МПК G02F 1/035, G02F 1/295, G02B 6/10, опубликован 27.06.2006), включающий последовательно сформированные первую укрепляющую пластину, проводящий слой, вторую тонкую (например, 10 мкм) пластину из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, в которой сформирован волновод, и три электрода.
Малая толщина пластины электрооптического материала обеспечивает высокую частоту отсечки (более 40 ГГц) для ее резонансных мод, а проводящий слой препятствует проникновению СВЧ излучения в укрепляющую пластину и возбуждению ее резонансных мод.
Достоинством известного интегрально-оптического модулятора является достижение гладкости амплитудно-частотной характеристики за счет наличия проводящего слоя. Прочность конструкции обеспечивается применением поддерживающей структуры. Недостатком известного интегрально-оптического модулятора является необходимость сложных технологических операций для прикрепления тонкой и хрупкой пластины из электрооптического материала к упрочняющей пластине, а также необходимость подбора материала упрочняющей пластины с близкими к пластине электрооптического материала коэффициентами теплового расширения и механическими характеристиками.
Известен интегрально-оптический модулятор (см. патент US 7856155, МПК G02F 1/035, G02B 26/00, опубликован 21.12.2010), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Интегрально-оптический модулятор включает последовательно сформированные первую укрепляющую пластину, вторую тонкую (20 мкм и менее) пластину из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, буферный слой и три электрода. Во второй пластине выполнен волновод.
Гладкость амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в известном интегрально-оптическом модуляторе достигается за счет малой (20 мкм и менее) толщины второй пластины, в которой происходит модуляция оптического излучения за счет электрооптического эффекта, что приводит к технологической сложности изготовления модулятора, обусловленная необходимостью создания тонкого (менее 20 мкм) кристаллического слоя и обеспечения его механического крепления к первой укрепляющей пластине без повреждения. При этом стандартная толщина второй пластины из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, обеспечивающая достаточную механическую прочность для проведения технологических операций с ней, составляет 0,5-1,0 мм.
Задачей настоящей полезной модели является разработка такой конструкции интегрально-оптического модулятора, в которой бы достигалась гладкость АЧХ, но использовалась бы вторая пластина такой толщины, которая бы обеспечивала ее механическую прочность и механическую однородность, что в итоге приводило бы к упрощению технологии изготовления модулятора.
Поставленная задача решается тем, что интегрально-оптический модулятор включает последовательно сформированные первую пластину, вторую пластину из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, буферный слой и три электрода. Во второй пластине выполнен волновод. Первая пластина выполнена из материала, поглощающего электромагнитное излучение в сверхвысокочастотной области, а толщина второй пластины d удовлетворяет соотношению:
Гладкость амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в настоящем техническом решении достигается за счет того, что первая пластина выполнена из материала, поглощающего электромагнитное излучение в сверхвысокочастотной области, вследствие чего количество энергии, уходящей в паразитные моды колебаний на резонансных частотах, уменьшается. Толщина d второй пластины более 0,5 мм обеспечивает ее механическую прочность. Использование второй пластины толщиной более 1 мм нецелесообразно, так как это увеличивает ее стоимость, а также усложняет технические операции с ней при изготовлении оптических волноводов и электродов.
Первая пластина может быть выполнена из силиконовой резины, уретана и неопрена с введенными в них карбонильным железом.
Оптический волновод, сформированный во второй пластине, может быть выполнен в виде интерферометра Маха-Цандера, содержащего  или
Настоящий оптический модулятор поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показан вид сверху конструкции оптического модулятора; на фиг. 2 показан вид в поперечном разрезе конструкции оптического модулятора.
Настоящий интегрально-оптический модулятор (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит последовательно сформированные первую пластину 1, вторую пластину 2 из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, в которой выполнен волновод 3, буферный слой 4 и три электрода, один из которых сигнальный электрод 5, а два другие электроды 6 заземления. Первая пластина выполнена из материала, поглощающего электромагнитное излучение в сверхвысокочастотной области, а толщина d второй пластины удовлетворяет соотношению:
Первая пластина может быть выполнена из силиконовой резины, уретана и неопрена с введенными в них карбонильным железом.
Оптический волновод, сформированный во второй пластине, может быть выполнен в виде интерферометра Маха-Цандера, содержащего  или
Настоящий интегрально-оптический модулятор работает следующим образом. Оптическое излучение вводят с торца в оптический волновод 3. Распространяющаяся по оптическому волноводу 3 мода делится между параллельными участками оптического волновода 3. Распространяющаяся в волноводе, образованном электродами 5, 6, буферным слоем 4 и второй пластиной 2, электромагнитная волна создает поле в области оптического волновода 3, что за счет электрооптического эффекта создает изменение показателя преломления света в части оптического волновода 3. Оптическое излучение выводится с торца волновода 3. Гладкость АЧХ модулятора достигается следующим образом. За счет того, что первая пластина 1 выполнена из поглощающего электромагнитное излучение в сверхвысокочастотной области материала, достигается снижение добротности резонатора, образованного второй пластиной 2 из обладающего электрооптическим эффектом кристалла, вследствие чего количество энергии, уходящей в паразитные моды колебаний на резонансных частотах уменьшается.
Пример. Был изготовлен интегрально-оптический модулятор, который состоял из последовательно сформированных первой пластины из силиконовой резины с введенным в нее карбонильным железом толщиной 0,7 мм, второй пластины из кристалла ниобата лития толщиной 1 мм, буферный слой из диоксида кремния толщиной 1 мкм, сигнальный электрод размером 13 мкм и электроды земли. Расстояние между электродами земли и сигнальным электродом составляло 14 мкм. Во второй пластине был сформирован оптический волновод в виде интерферометра Маха-Цандера, содержащего Y-разветвители с диаметром моды 10 мкм. При этом неравномерность АЧХ, связанная с утечкой СВЧ излучения на резонансных частотах в подложку, не превышала 0,3 дБ.