ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области оптики, а именно, к интегральным оптическим элементам, и может быть использована в качестве основного элемента линий задержки, оптических усилителей или генераторов.
Интегральные оптические элементы являются основой компактных интегральных чипов, реализующих сложные информационные алгоритмы. Некоторые из них, например, линии задержки, усилители и генераторы оптических сигналов, требуют создания значительной длины оптического пути, на которой будет распространяться и преобразовываться сигнал. Линии задержки оптических сигналов широко применяются для реализации алгоритмов получения, обработки и передачи информации в системах оптической коммуникации, в частности, для буферизации сигналов, синхронизации данных и временного мультиплексирования. Кроме того, задержки временных сигналов используют для оптического контроля фазированных антенных решеток в системах коммуникации радиочастотного диапазона, измерения световых полей и сенсинга, корреляционных измерений и др.
Подавляющее большинство современных линий задержки основано на направлении сигнала по дополнительному оптическому пути, длина которого соответствует требуемой временной задержке. В лабораторных условиях для этого часто используют открытое пространство, но такой подход непрактичен для мобильных систем. Альтернативой является выполнение линии задержки на основе длинного оптического волокна, свернутого в кольцо. Однако, для реализации сложных информационных алгоритмов более подходящей является интегрально-оптическая схема компоновки элементов в один чип. Такой подход позволяет создавать компактные устройства массового использования, которые отличаются повышенной устойчивостью к воздействию окружающей среды.
1
0
1
0
В настоящее время широко используется планарная технология создания волноводной структуры, в которой реализующие элементы чипа волноводы выполнены в одной плоскости. Как правило, такие структуры изготавливают методом литографии. Благодаря большой разнице (контрасту) показателя преломления между сердцевиной (n) волновода и окружением (n), его собственные моды хорошо локализованы. В качестве примера можно привести интегрально-оптическую платформу на основе кремниевых волноводов в кварце, контраст в которых составляет Δn=n-n~2 (так называемая SOI-платформа). При таком высоком контрасте показателя преломления можно создавать изгибы волновода с малыми радиусами кривизны (менее 15 мкм для SOI-платформы для сигналов с длиной волны 1.55 мкм), что дает возможность плотной упаковки функциональных элементов.
Величина времени задержки τ в волноводном элементе связана с его длиной L линейным соотношением: τ=L/v, где v - скорость распространения сигнала. Потери в линии задержки δ также соотносятся с длиной по линейному закону: δ=βL, где β - коэффициент потерь в волноводе. Для одномодовых SOI волноводов минимальные потери, которые обусловлены рассеянием оптических сигналов на неровностях стенок волноводов, составляют β=2-3 дБ/см (F. Grillot, L. Vivien, S. Laval, E. Cassan, Journal of Lightwave Technology, v. 24, No. 2, p. 891-896, 2006 г.). При задержке τ=1 нс на длине L≈10 см потери будут очень большие: δ≈20-30 дБ.
-4
-3
На сегодняшний день известны способы создания оптических волноводов в объеме диэлектрика с помощью модификации его показателя преломления сфокусированным лазерным излучением. Контраст показателя преломления в таких волноводах очень мал и имеет, как правило, значения Δn~10-10<<1 - это отвечает случаю, так называемых, слабонаправляющих волноводов. В отличие от большинства планарных технологий волноводы с Δn<<1 не дают возможности создавать изгибы малого радиуса с небольшими потерями, поэтому изготовление линий задержки на основе петель и спиралей из сегментов окружностей не представляется практически реализуемым. При этом на линейных участках потери в таких волноводах достаточно малы (B. McMillenetal. OpticsLetters, v. 37, No. 9, p. 1418-1420, 2012 г.), что оставляет перспективы использования указанного метода.
Из уровня техники известен интегральный оптический элемент в виде прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовки с плоскими гранями, в которой путем модификации показателя преломления сформирован волновод, состоящий из прямолинейных участков, причем оси каждой пары смежных участков пересекаются в плоскости ближайшей грани и лежат в одной плоскости с нормалью к этой грани под одинаковыми углами к ней, а на указанных гранях выполнена отражающая поверхность (см. патент JPH 0669572, кл.G02B 6/12, опубл. 11.03.1994). Недостатками известного устройства являются сложность изготовления элемента на подложке, относительно большие линейные размеры и высокие световые потери.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности пространственного размещения волновода из прямолинейных участков. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в интегральном оптическом элементе в виде прозрачной для длин волн заданного диапазона твердотельной заготовки с плоскими гранями, в которой путем модификации показателя преломления сформирован волновод, состоящий из прямолинейных участков, причем оси каждой пары смежных участков пересекаются в плоскости ближайшей грани и лежат в одной плоскости с нормалью к этой грани под одинаковыми углами к ней, а на указанных гранях выполнена отражающая поверхность, заготовка имеет, по меньшей мере, три плоские грани с отражающей поверхностью, образующие в сечении замкнутый контур, а участки волновода образуют трехмерную спираль. В качестве отражающей поверхности предпочтительно используют слоистую диэлектрическую структуру, которую наносят непосредственно на указанные плоские грани.
На чертеже представлен общий вид предлагаемого устройства.
Интегральный оптический элемент выполнен в виде твердотельной заготовки 1 из прозрачного для длин волн заданного диапазона материала (например, стекла). Для создания активных оптических устройств - усилителей и генераторов - помимо прозрачности среда также должна обладать соответствующими специфическими свойствами. Заготовка 1 выполнена в форме прямой призмы с несколькими плоскими гранями 2, образующими в сечении замкнутый контур (на чертеже изображена заготовка 1 с четырьмя гранями и квадратным сечением). В указанной заготовке 1 путем модификации показателя преломления, например, при фокусировке в объеме излучения мощного фемтосекундного лазера, сформирован волновод, который состоит из прямолинейных участков 3, образующих трехмерную спираль (точками показаны места входа и выхода волновода). Использование прямолинейных участков 3 вместо округлых изгибов дает возможность избежать значительных потерь в слабонаправляющих волноводах.
Оси каждой пары смежных участков 3 пересекаются в плоскости ближайшей грани 2 и лежат в одной плоскости с нормалью n к этой грани под одинаковыми углами α к ней (необходимо геометрическое условие эффективного отражения собственных мод волновода). Точности относительного расположения участков 3 добиваются за счет прецизионной шлифовки и полировки грани 2. Непосредственно на гранях 2 нанесена отражающая поверхность 4 (чтобы не перегружать чертеж, поверхность 4 обозначена только на одной грани 2), реализующая отражение излучения из одного участка 3 волновода в другой.
Поверхность 4 предпочтительно выполнена в виде слоистой диэлектрической структуры, которая не только реализует полное зеркальное отражение, но и позволяет управлять дисперсионными характеристиками оптических импульсов, в частности, компенсировать дисперсионное расплывание сигнала при каждом отражении от граней 2. Возможно также использование в качестве отражающей поверхности 4 металлической пленки, напыленной или приложенной к грани 2, но такое выполнение увеличит потери, тем самым сократив допустимую длину волновода.
Для частичного вывода излучения из элемента поверхность 4 выполняют полупрозрачной.
Использование в предлагаемом оптическом элементе пространственной геометрии, подключающей дополнительное измерение, позволяет значительно увеличить эффективную длину волновода, сохранив компактность устройства. При этом отсутствие криволинейных участков минимизирует потери даже в случае в слабонаправляющих волноводов, а простота конструкции позволяет снизить трудозатраты на изготовление.