Способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре
METHOD OF SPATIAL SEPARATION OF THE OPTICAL MODES OF ORTHOGONAL POLARIZATIONS IN A PLANAR WAVEGUIDE STRUCTURE

Изобретение относится к интегральной оптике, в частности к методам пространственно-поляризационного разделения света в планарных оптических волноводах. Оно может быть использовано для создания высокоэффективных волноводных разделителей поляризации в ближней части ИК-диапазона.
Для поляризационно-независимого детектирования и поляризационно-разнесенного мультиплексирования в волоконно-оптических системах связи и обработки сигналов требуются устройства, позволяющие осуществлять разделение различных поляризационных составляющих излучения в пространстве. Интегрально-оптические схемы имеют преимущество перед волоконными или объемными аналогами, так как появляется возможность размещения большого количества элементов в единой интегральной схеме с целью создания многоканальных систем.
Известны способы пространственного разделения поляризаций в планарных направляющих структурах:
1) способ, основанный на резонансной связи оптических волн, реализуемой за счет условия фазового синхронизма в волноводных направленных ответвителях [Волноводная оптоэлектроника / под ред. Т.Тамира, М.: Мир, 1991, 575 с.], недостатком этого способа являются высокие требования к выполнению условия фазового синхронизма;
2) способ поляризационной фильтрации  излучения, использующий модовое двупреломление вблизи  отсечки четырехслойного диэлектрического волновода со специально подобранным профилем показателя преломления [Векшин M.M., Никитин В.А., Яковенко H.A. Поляризационные свойства четырехслойного диэлектрического волновода. Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. N6, с.35-39], недостатком которого является различный уровень поглощения TE и TM мод в халькогенидном полупроводниковом верхнем слое;
3) способ модовой селекции в асимметричных Y-разветвителях [S. M. Garner, V. Chuyanov, S. Lee, A. Chen, W. H. Steier, and L. R. Dalton, “Vertically integrated waveguide polarization splitters using polymers,” IEEE Photon. Technol. Lett. 1999. V.11, pp. 842–844].
Патентный поиск не выявил аналога предлагаемого способа разделения поляризаций. Наиболее близким примером осуществления предлагаемого способа является использование интегрально-оптического пространственного разделителя поляризаций на основе асимметричного Y-разветвителя, состоящего из планарного волновода в стекле и высокопреломляющей диэлектрической пленки заданной толщины и переменной ширины для формирования в зоне разделения области с резко различными константами распространения для обеих поляризаций (Патент RU 2461921, МПК H01P 1/00, 2006. Интегрально-оптический пространственный разделитель поляризации на основе асимметричного Y-разветвителя, авт. Кулиш О.А., Векшин M.M.). Его недостатком является то, что для изготовления волновода, покрытого пленкой различной толщины, требуется сложный технологический процесс.
Преимуществами предлагаемого метода по сравнению с вышеизложенными являются эффективная развязка мод между каналами и отсутствие необходимости создания адиабатического (плавного) или резкого перехода от одной части волноводной структуры к другой  (т.е., например, Y-разветвителя).
Целью изобретения является повышение эффективности поляризационного разделения света в планарных направляющих структурах интегральной оптики.
Цель достигается тем, что для эффективного разделения (локализации интенсивности мод ортогональных поляризаций в нужном слое) используют четырехслойную направляющую структуру, состоящую из высокопреломляющего магнитооптического слоя 1, высокопреломляющего нанокомпозитного слоя 2, подложки 3 и покровного слоя 4 (Фиг.1).
2
2
Слой 1 магнитооптического материала должен быть намагничен до насыщения в плоскости границы раздела, в направлении, поперечном распространению света. Это необходимо для существования в структуре мод ортогональных поляризаций ТЕ и ТМ типов. Для изготовления нанокомпозитного слоя 2 используют методы высокочастотного напыления (RF sputtering) [T. Yamaguchi et al. Interfacial optical absorption in TiO -SiO multilayer coatings prepared by RF magnetron sputtering. Applied Optics, 1986. V.25, No.16 pp.2703-2706], импульсного лазерного осаждения (pulsed laser deposition, PLD), жидкофазной эпитаксии (liquid phase epitaxy, LPE), реактивного ионно-лучевого распыления (reactive ion beam sputtering, RIBS) [V. Berzhansky et al. Magneto-optics of nanoscale Bi:YIG films. Applied Optics, 2013. V.52, No.26, p.6599-6606]. Период нанокомпозитной среды  (Фиг.1) должен быть на порядок меньше длины волны источника (лазера) . В этом случае применимо приближение эффективной среды, при котором композитную среду слоя 2 считают одноосным кристаллом с тензорной эффективной диэлектрической проницаемостью. В качестве подложки 3 выбирают прозрачный изотропный материал с показателем преломления меньшим, чем в слоях 1 и 2, а покровной средой может служить воздух или газообразная среда с ещё меньшим показателем преломления, чем у подложки.
0
0
Для конкретных параметров сред, составляющих четырехслойную волноводную структуру, используя известные уравнения Максвелла и граничные условия, получают и решают дисперсионное уравнение для различных соотношений толщин нанослоев  и , и получают зависимости констант распространения  ТЕ и ТМ мод от длины волны (т.е. калибровочный график, пример которого приведен на Фиг.2). В качестве источника излучения используют лазер, излучение которого вводят в структуру с помощью решеточного элемента связи, созданного на поверхности слоя 2, например, фотолитографическим или голографическим методами. Излучение вводят с помощью, например, волоконных световодов или зеркал, под двумя требуемыми углами  и , подобранными в соответствии с известной формулой для решеточного элемента связи: , где  - шаг решетки. Здесь  - константы распространения ТЕ и ТМ мод соответственно, существующих по-отдельности в каждом из высокопреломляющих слоев 1 и 2,  - волновое число в вакууме. В результате в слое 1 будет распространяться волна одной поляризации, например, ТM, а в слое 2 – волна другой ортогональной поляризации, например, ТЕ, или наоборот.
2
3
5
12
2
Конкретный пример калибровочного графика представлен на Фиг.2, где для  = 0.8 приведены дисперсионные зависимости нормированной на волновое число в вакууме константы распространения направляемых мод от длины волны излучения. Для расчёта выбраны параметры  = 1.55 мкм,  = 6.5 мкм,  = 4.7 мкм и материалы слоев: SiO для подложки, железоиттриевый гранат (ЖИГ) для слоя 1, гадолиний-галлиевый гранат (GdGaO) и диоксид титана (TiO) для слоя 2, воздух для среды 4.
0
0
На Фиг.2 зависимости  – показатель преломления ЖИГ, а  и  – показатели преломления нанокомпозитного слоя 2 для мод ТЕ и ТМ поляризации, соответственно. Рабочие точки выбраны так, что на заданной длине волны (1,55 мкм) направляемой в слое 2 может распространяться лишь ТЕ мода (с нормированной константой распространения  = 2.2332, а в слое 1 - лишь ТМ мода с  = 2.1988.
Для иллюстрации возникающей картины пространственного разделения мод ТЕ и ТМ поляризаций на Фиг.3 представлены распределения интенсивности (продольная компонента вектора Умова-Пойнтинга) по поперечному сечению структуры. Эффективность развязки между каналами, определяемая по отношению мощностей волноводных мод в выходных каналах, составляет в данном случае не менее 18 дБ для ТЕ-волн и не менее 19 дБ для ТМ-волн. Общие вносимые потери для обеих поляризаций будут определяться эффективностями ввода элементов связи (для решеточного элемента – до 100 %).
Предлагаемый способ пространственного разделения оптических мод ортогональных поляризаций в планарной волноводной структуре обеспечивает техническое решение проблемы эффективного управления светом в интегрально-оптических системах, оптоэлектронных устройствах, таких как волноводные фильтры, изоляторы и селекторы.