Экспериментальное исследование потерь выходной мощности в интегрально-оптической схеме

УДК 681.7.068

В.Г. Беспрозванных,

к.ф.-м.н., доцент М.И. Тимшина,

студентка 4 курса Факультет прикладной математики и механики Пермский национальный исследовательский политехнический университет

г. Пермь, Российская Федерация

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ В ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЕ

Аннотация

В работе выполнено экспериментальное определение и сравнение потерь выходной мощности для интегрально-оптических схем различной конфигурации, а также получены новые экспериментальные данные о влиянии температурного фактора на оптические потери, коэффициент деления и сохранение поляризации излучения.

Ключевые слова

Схема интегрально-оптическая многофункциональная, оптические потери, коэффициент деления,

сохранение поляризации излучения.

Основу современной интегральной и волоконной оптики составляют схемы интегрально-оптические многофункциональные (СИОМ), которые применяются в составе модуляторов амплитуды оптического сигнала в волоконно-оптических линиях связи, а также в качестве фазовых модуляторов в навигационных системах на базе волоконно-оптических гироскопов [1, 2].

СИОМ состоит из канальных световодов, на которых изготовлены поляризатор, делитель и модулятор. Особое значение имеет миниатюрность этих элементов, возможность монолитного интегрального исполнения, малое количество потребляемой ими энергии и их совместимость с волоконными световодами. К схеме пристыковываются входное и выходное оптические волокна, при этом на месте соединения волокна и канального волновода возникают потери оптической мощности из-за несогласованности параметров волокна и световода - потери на отражение, а также потери, вызванные несовпадением распределений модовых полей в волокне и волноводе [3].

Указанный эффект оптических потерь в СИОМ есть результат действия множества факторов, таких как вид и исходное состояние кристалла-подложки, технология формирования волноводов, температурный фактор и ряд других. Отмечается, что данная проблема требует дальнейшего изучения, в частности, дополнительных экспериментальных исследований [4].

Целью данной работы является сравнение потерь выходной мощности для интегрально-оптических схем различной конфигурации, а также получение новых экспериментальных данных о влиянии температурного фактора на оптические потери, коэффициент деления и сохранение поляризации излучения.

В интегральной оптике применяются СИОМ, общий вид которых показан на рис. 1а. В подложке из ниобата лития LiNbOз путем внедрения атомов титана изготавливается волноводный канал, представляющий собой анизотропную кристаллическую среду. В основе действия схемы лежит электрооптический эффект Поккельса, состоящий в изменении показателя преломления канального волновода под действием модулирующего поля, пронизывающего этот канал.

(а> Электроны

Рисунок 1 - Устройство СИОМ: Ь - длина электродов; W- ширина электродов; G - ширина канала; п/ — показатель преломления при отсутствии модулирующего напряжения ЩО.

В эксперименте сравнивались два варианта расположения металлических электродов. В первом случае (рис. 1Ь) электроды расположены симметрично по обе стороны волноводного канала. В этом случае канал пронизывается электрическим полем, направленным параллельно плоскости канала. Силовые линии модулирующего электрического поля начинаются на одном электроде и заканчиваются на другом, т.е. модуляция оптической волны осуществляется полем £ц (горизонтальная составляющая). Во втором случае (рис. 1с) один из электродов расположен непосредственно над волноводным каналом, и модуляция осуществляется при помощи вертикальной составляющей электрического поля £±, пронизывающей канал сверху-вниз или наоборот. В этом случае между каналом и металлическим электродом располагается изолирующий буферный слой из SiO2 толщиной примерно 0,2 мкм с малым показателем преломления.

Функциональная схема экспериментальной установки показана на рис. 2.

Оптическое волокно

Источник

питания

Преобразователь электрического сигнала в оптический

Термокамера

Экстинометр СИОМ

Рисунок 2 — Схема экспериментальной установки.

Измерение потерь оптической мощности выполнялось для СИОМ, состыкованной специальными модулями с отрезками оптического волокна. С помощью экстинометра измерялись значения входной и выходной мощности, при этом величина общих потерь а вычислялась по формуле:

а = 10^(-—-), (1),

^вых 1+Рвых 2'

где Рвх - оптическая мощность на входе СИОМ, мВт; Рвых1 и Рвых2 - мощности соответственно на левом и правом выходных каналах СИОМ, мВт.

В эксперименте также определялись коэффициент деления Кд, показывающий, как распределяется мощность по выходным каналам СИОМ, и сохранение поляризации излучения (СПИ) - показатель, связанный с необходимым условием работы СИОМ: волны в каждом из выходных каналов должны быть одинаковой поляризации. Формула для вычисления Кд (в процентах) имеет следующий вид:

КД=—Рвых 1 • 100.

•^вых 1+^вых 2

Результаты измерений характеристик СИОМ указанных выше конфигураций с учетом соотношений (1), (2) представлены в таблице.

Таблица

Потери, дБ Коэффициент деления, % СПИ левого канала, дБ СПИ правого канала, дБ

СИОМ без буферного слоя ЗЮ2 6,83 52,83 31 27

СИОМ с буферным слоем SiO2 6,29 50,94 34 28

Для экспериментального определения зависимости изменения СПИ исследуемых интегрально-оптических схем от температуры обе схемы помещались в термокамеру и подвергались термоциклу (нижний график на рис. 3). Здесь же показаны графики изменения СПИ от температуры для левого и правого выходных каналов обеих схем.

Рисунок 3 - Зависимости для температурного изменения СПИ

По полученным результатам таблицы и рис. 3 можно сделать вывод, что СИОМ с буферным слоем из кварца меньше реагирует на изменение температуры. Следует иметь в виду, что в дальнейшее производство навигационных систем на базе волоконно-оптических гироскопов допускаются интегрально-оптические схемы, у которых выходные оптические потери меньше 7 дБ, СПИ больше 27 дБ, а коэффициент деления должен быть с наименьшим отклонением от 50%. С учетом этих требований схема с буферным слоем также является более предпочтительной.

Результаты проведенного исследования могут быть дополнены рядом факторов (технологическими, учитывающими материал кристалла-подложки и др.) и использованы для прогнозирования характеристик и свойств интегрально-оптических схем, сопрягаемых с изделиями волоконно-оптической техники. Список использованной литературы:

1. Клюев Д.С., Осипов О.В. Физическая и интегральная оптика. Конспект лекций. — Самара: Изд-во ПГУТИ, 2014. — 165 с.

2. Сидоров А.И., Никоноров Н.В. Материалы и технологии интегральной оптики. Учебное пособие. — СПб: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2009. - 107 с.

3. Серебрякова В.С. Оптимизация параметров изготовления интегрально-оптических элементов для волоконно-оптических гироскопов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2008, № 49. - С. 42-53.

4. Пономарев Р.С. Структурная модель дрейфовых явлений в интегрально-оптических схемах на основе ниобат-литиевых канальных волноводов. Автореферат диссертации ... канд. физ.-мат. наук. Пермь, 2014. -16 с.

© Беспрозванных В.Г., Тимшина М.И., 2019