Гибридное интегрально-оптическое устройство
HYBRID INTEGRATED OPTICAL DEVICE

Изобретение относится к устройствам интегральной оптики, в частности, к устройствам с интегрально-оптическими канальными волноводами на подложке из электрооптического материала, применяемым для создания интегрально-оптических схем (фотонных интегральных схем). Может использоваться в интегрально-оптических элементах с различными функциональными назначениями, например, в фазовых интегрально-оптических модуляторах, в амплитудных модуляторах и др. для применения в телекоммуникациях, сенсорике и др.
28
-3
Известен интегрально-оптический элемент по патенту РФ на изобретение RU2594987, G02B 6/126, 2016. Интегрально-оптический элемент включает подложку из кристалла ниобата лития и сформированный в подложке оптический волновод. Волновод создается термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3 – 7 мкм и толщиной 60 – 80 нм, нанесенной на поверхность подложки. Данный волновод является низкоконтрастным канальным оптическим волноводом (разница показателей преломлении волновода и подложки не превышает 0,15). Глубина оптического волновода равна 3 – 4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1 – 5)·10 м. Недостатком элемента является низкая степень интеграции элементов на кристалле – малое (1 – 5) количество функциональных элементов, которые могут быть размещены на единице площади интегрально-оптической схемы. Низкая степень интеграции является следствием больших радиусов кривизны (1 – 3 см) волновода в местах его поворота, в местах разветвления волновода (делителях оптического излучения) или в местах соединения параллельных участков волноводов в один (сумматорах оптического излучения), а также вследствие больших размеров функциональных элементов. Невозможность размещения большого количества интегрально-оптических элементов на единице площади устройства является причиной ограничения набора функций, выполняемых одной интегрально-оптической схемой. Кроме того, расстояние между управляющими металлическими электродами, расположенными по обе стороны от низкоконтрастного канального оптического волновода составляет 15 мкм и более. Это обуславливает невысокое значение напряженности электрического поля в материале волновода, что влечет снижение эффективности управления характеристиками оптического излучения при создании управляющих элементов (модуляторов).
2
2
Известна конструкция высококонтрастного интегрально-оптического канального волновода на основе кремния-на-изоляторе (КНИ) из статьи P. Dumon et al. Basic photonic wire components in silicon-on-insulator // 2nd IEEE International Conference on Group IV Photonics. 2005. P. 189-191 (doi: 10.1109/GROUP4.2005.1516448). В данной конструкции оптическое излучение распространяется по волноводу из кремния (Si), показатель преломления  которого составляет 3,3 – 3,7. Волновод располагается на подложке из диоксида кремния SiO с показателем преломления  равным 1,45. В качестве оболочки, которая является покровным слоем волновода, применяют SiO с показателем преломления 1,45, или воздушную атмосферу, показатель преломления которой равен 1,0. Профиль волновода формируется методами литографии, травления и напыления. Типичные габаритные размеры поперечного сечения волноводов на основе КНИ составляют: ширина 0,45 – 0,6 мкм; толщина 0,25 – 0,35 мкм. Недостатком канальных волноводов на основе КНИ является управление характеристиками оптического сигнала с помощью термооптического эффекта, то есть изменение показателя преломления происходит при изменении температуры материала волновода. Этим объясняется низкая скорость управления оптическим излучением с помощью управляющих элементов (электродов), поэтому типичные частоты управления характеристиками оптического сигнала в таких волноводах ограничены значениями 10 кГц. Кроме того, при стыковке данного высококонтрастного канального волновода с оптическим волокном для ввода и вывода излучения в интегрально-оптическую схему имеют место высокие оптические потери из-за несовпадения размеров модовых полей. Так диаметр модового поля у стандартно используемых для стыковки оптических волокон составляет 8 – 11 мкм, а диаметр поля моды в волноводе из кремния не превышает 1 мкм из-за малых размеров поперечного сечения волновода. Оптические потери на участках ввода-вывода излучения приводят к низкой эффективности работы высококонтрастного интегрально-оптического канального волновода на основе кремния-на-изоляторе. Типичные габаритные размеры волновода на основе КНИ рассчитываются так, чтобы по ним распространялась только одна (фундаментальная) мода оптического излучения. Однако, при распространении оптического излучения по одномодовому оптическому волноводу на основе КНИ происходит рассеяние оптического излучения на шероховатостях поверхности волновода, что приводит к высоким потерям оптического сигнала в интегрально-оптическом элементе и снижению эффективности его работы (ухудшению качеств конечного изделия).
Известен гибридный интегрально-оптический модулятор на основе кремния и ниобата лития по международной заявке на полезную модель WO2019218385, G02F 1/035, 2019. Данный модулятор содержит оптический волновод на основе КНИ, элемент для разделения оптического сигнала, элемент преобразования диаметра оптической моды в виде клиновидного волновода (тейпера) на основе кремния, волновод на основе ниобата лития, управляющие металлические электроды, заземляющий металлический электрод. Ввод и вывод оптического излучения из такого модулятора осуществляется через волноводы из КНИ, в области управления характеристиками оптического излучения (в области между электродами) оптическое излучение с помощью тейпера на основе кремния перекачивается в волновод из ниобата лития. При стыковке данного модулятора с оптическим волокном для ввода и вывода излучения имеют место высокие оптические потери из-за несовпадения размеров модовых полей оптического волокна и волновода на основе КНИ. Кроме того, при распространении оптического излучения в высококонтрастном волноводе на основе кремния наблюдаются высокие оптические потери, вызванных отражением и рассеянием оптического излучения на шероховатостях поверхности стенок данного волновода, что снижает эффективность работы интегрального оптического модулятора.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран волновод с высокой степенью локализации моды в сердцевине на подложке из электрооптического материала по патенту на изобретение US2012230630, G02B 6/12, 2012. Оптическое устройство содержит волновод из нитрида кремния, обогащенного кремнием (SiN:Si), с высокой степенью локализации моды в сердцевине, расположенный на электрооптической подложке из ниобата лития и оптически связанный с низкоконтрастным волноводом, сформированным в подложке из ниобата лития. В изобретении представлен широкий спектр электрооптических устройств на основе данного гибридного волновода. Конструктивные варианты исполнения изобретения включают такие элементы, как направленные ответвители, компактные ответвители (на основе изогнутого волновода с использованием зеркала), электрооптические модуляторы, кольцевые резонаторы, электрооптические решетки. Во всех вариантах исполнения более 95 % энергии электромагнитного излучения сосредоточено в сердцевине одномодового канального оптического волновода из нитрида кремния, обогащенного кремнием SiN:Si. Ввод и вывод оптического излучения в волновод из SiN:Si с высокой степенью локализации моды в сердцевине осуществляют за счет создания на основе волноводов из SiN:Si клиновидных адиабатических тейперов, представляющих собой сужающийся по высоте и/или ширине волновод, оптически связанных с низкоконтрастным оптическим волноводом. Низкоконтрастный волновод создан методами диффузии титана или протонным обменом с последующим отжигом. Для управления характеристиками оптического излучения за счет электрооптического эффекта (например, для создания модуляторов) используют копланарную линию электродов. Однако, в случае, когда более 95 % энергии электромагнитного излучения сосредоточено в сердцевине канального оптического волновода из SiN:Si, не являющимся электрооптически активным, управление характеристиками оптического излучения системой электродов с помощью электрооптического эффекта осуществляется только за счет управления «хвостами» излучения, в которых сосредоточено не более 5 % от общей энергии, распространяющейся по волноводу. «Хвосты» излучения являются экспоненциально затухающим электромагнитным полем, выходящим за пределы сердцевины волновода из SiN:Si. В связи с этим эффективность управления характеристиками излучения довольно низкая. Волновод из SiN:Si на подложке из электрооптического материала является одномодовым, поэтому эффективность передачи оптического излучения снижается из-за отражения и рассеяния оптического сигнала на шероховатостях границ волновода, возникают дополнительные оптические потери в интегрально-оптической схеме. Кроме того, оптический контраст (разница показателей преломления) между волноводом из SiN:Si и подложкой из электрооптического материала и/или низкоконтрастным оптическим волноводом составляет 0,02 – 0,2. Такой невысокий контраст позволяет изготавливать оптические волноводы с типичными радиусами кривизны 300 мкм и более, что также является причиной невысокой степени интеграции интегрально-оптических элементов на единице площади, и как следствие ограничения набора функций, выполняемых одной интегрально-оптической схемой, что приводит к снижению эффективности работы устройства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности работы интегрально-оптического устройства при повышении эффективности управления характеристиками оптического излучения.
Технический результат достигается за счет того, что в гибридном интегрально-оптическом устройстве, содержащем подложку из электрооптического материала, в приповерхностной области которой расположены оптический канальный одномодовый низкоконтрастный волновод и участки ввода-вывода с оптическим канальным низкокотрастным волноводом, на подложке расположен оптический канальный высококонтрастный волновод, участки высококонтрастного волновода выполнены с адиабатическими тейперами, расположенными над низкоконтрастным волноводом, область управления, в которой вдоль прямых участков низкоконтрастного волновода расположены управляющие электроды, согласно изобретению, разница между показателем преломления электрооптической подложки и показателем преломления материала высококонтрастного волновода составляет 0,2 – 1,6, на прямых участках высококонтрастного волновода его линейные размеры поперечного сечения соответствуют размерам многомодового волновода, при этом с помощью расчетных размеров адиабатических тейперов на этих участках осуществляют одномодовый режим передачи оптического излучения, в области управления над прямыми участками низкоконтрастного волновода расположены участки высококонтрастного волновода с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу, у которого не менее 10 % мощности излучения локализовано в электрооптической подложке, и/или в области управления над прямыми участками низкоконтрастного волновода расположены высококонтрастные адиабатические тейперы соседних участков высококонтрастного волновода, линейные размеры поперечного сечения которого соответствуют многомодовому волноводу.
Кроме того, в интегрально-оптическом устройстве высококонтрастный волновод на участках изгиба выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу.
Кроме того, в интегрально-оптическом устройстве высококонтрастный волновод на делителях оптического излучения выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу.
Кроме того, в интегрально-оптическом устройстве высококонтрастный волновод на сумматорах оптического излучения выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу.
Технический результат обеспечивается за счет свойств применяемых материалов электрооптической подложки и высококонтрастного волновода. В качестве материала подложки, обладающего электрооптическими свойствами, может быть использован, например, ниобат лития или танталат лития, в качестве материала высококонтрастного волновода, который является волноводом с высокой степенью локализации, может быть использован кремний (поликристаллический или аморфный), соединения кремния или другие оптические материалы, обеспечивающие разницу показателя преломления с подложкой 0,2 – 1,6. Это позволяет повысить степень локализации излучения внутри данного волновода, уменьшить критические радиусы кривизны в местах его изгибов и за счет этого повысить плотность интеграции элементов. Эффективность передачи оптического сигнала и эффективность изменения его характеристик повышается за счет возможности размещения бóльшего количества элементов на единице площади одного кристалла или интегрально-оптического чипа, что приводит к увеличению количества выполняемых функций над распространяющимся оптическим сигналом. Потери оптического излучения значительно снижаются за счет использования высококонтрастного волновода на прямых участках с линейными размерами поперечного сечения многомодового волновода, т.е., на прямых участках выбирают ширину и толщину волновода таким образом, что в нем становится возможным распространение фундаментальной моды и мод высшего порядка. При этом на переходах между низкоконтрастным и высококонтрастным волноводом подбирают расчетным путем размеры интегрально-оптических тейперов таким образом, что они являются адиабатическими тейперами. С помощью таких тейперов исключают возникновение мод высшего порядка в многомодовом волноводе. Тейпер является сужающейся или расширяющейся по высоте и/или ширине волноводной структурой. По волноводу с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими многомодовому, распространяется одномодовый оптический сигнал. В данном случае энергия фундаментальной моды в многомодовом волноводе локализуется в его сердцевине в большей степени, чем в одномодовом волноводе. Потери в многомодовом волноводе, вызванные рассеянием излучения на шероховатостях стенок волновода, будут ниже, чем в одномодовом волноводе, где из-за меньших размеров канала происходит более интенсивное отражение излучения от шероховатостей стенок и большее рассеяние. Такой многомодовый волновод располагают на прямых участках чипа или кристалла, где не происходит генерации мод высшего порядка, нет изгибов и нет управляющих электродов. На изогнутых участках волновода многомодовые волноводы переходят в одномодовые через адиабатические тейперы, чтобы на изгибе не возникали моды высшего порядка. Таким образом, во всем устройстве сохраняется одномодовый режим при котором снижаются оптические потери и повышается эффективность работы устройства в целом.  Повышение эффективности управления характеристиками оптического излучения устройства в области управления, т.е., на участке, где располагаются металлические электроды достигается тем, что над низкоконтрастным волноводом располагают высококонтрастный волновод с уменьшенными размерами поперечного сечения, при которых не менее 10 % мощности излучения локализовано в электрооптической подложке, или с полным отсутствием высококонтрастного волновода между управляющими электродами в случае если в области управления расположены только высококонтрастные адиабатические тейперы соседних участков высококонтрастного волновода с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими многомодовому волноводу. Такое конструктивное исполнение управляемых участков позволяет частично или полностью выходить моде в низкоконтрастный волновод через адиабатический тейпер. Степень вывода излучения из высококонтрастного волновода может определяться конкретным применением. Переход оптической моды из высококонтрастного волновода в низкоконтрастный в областях электрооптической модуляции позволяет более эффективно управлять характеристиками моды. Данный подход позволяет сохранить высокие частоты управления до 40 ГГц и повысить эффективность управления.
На фигуре 1 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода на электрооптической подложке и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления.
На фигуре 2 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления.
На фигуре 3 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и уменьшением размеров высококонтрастного волновода в области управления.
На фигуре 4 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода непосредственно на электрооптической подложке и уменьшением размеров выскоконтрастного волновода в области управления.
На фигуре 5 представлено схематичное изображение фазового модулятора.
На фигуре 6 представлено схематичное изображение амплитудного модулятора.
3
cr
x
2
Интегрально-оптическое устройство может представлять собой интегрально-оптический чип или кристалл ниобата лития, или кристалл танталата лития, или подложку из другого электрооптического материала, и содержит зоны «А» - зоны ввода-вывода, являющиеся зонами стыковки с оптическим волокном, зоны «Б» - зоны одномодового режима в многомодовом высококонтрастном волноводе, зону «В» - область управления. Интегрально-оптическое устройство содержит  электрооптическую подложку 1, например, из ниобата лития LiNbO, из танталата лития или других электрооптических материалов, содержит низкоконтрастный канальный волновод 2, сформированный в приповерхностной области подложки 1, высококонтрастный канальный волновод 3, металлические управляющие электроды 4. Показатель преломления подложки из ниобата лития составляет n = 2,20 (для длины волны λ = 1,55 мкм), из танталата лития – 2,18 (для λ = 0,63 мкм), показатель преломления низкоконтрастного канального волновода 2 из ниобата лития, созданного методом протонного обмена с последующим отжигом n = 2,22 (для λ = 1,55 мкм), из танталата лития n = 2,195. Высококонтрастный волновод 3 является волноводом с высокой степенью локализации излучения и расположен на поверхности подложки 1 или на поверхности, или в углублении подложки над низкоконтрастным волноводом 2. Разница между показателями преломления подложки 1 и высококонтрастного волновода 3 ∆n составляет 0,2 – 1,6, что позволяет при повороте высококонтрастного волновода на 90º обеспечить малые радиусы кривизны. Например, при ∆n = 1,6, радиус кривизны R = 10 мкм. Разница между показателями преломления подложки 1 и высококонтрастного волновода сохраняется в указанном диапазоне значений ∆n в широком интервале длин волн. Металлические управляющие электроды 4 выполнены в виде полос (планарных линий), расположенных на прямых участках с двух сторон от низкоконтрастного волновода 2. Металлические управляющие электроды могут быть выполнены в виде копланарной линии, при этом между оптическим высококонтрастным волноводом и центральным электродом копланарной линии создают слой диэлектрика (например, из оксидов кремния (SiO, SiO)) толщиной, минимизирующей оптические потери в области управления. Металлические управляющие электроды 4 образуют область управления. Расстояние между металлическими электродами 4 и волноводом 2 составляет 5 – 10 мкм. При таком расстоянии потери оптического сигнала, связанные с поглощением оптического излучения материалом электродов, минимальны. Высококонтрастный волновод 3 может иметь прямые участки, изгибы 5, места разветвлений и соединений Участки высококонтрастного волновода содержат интегрально-оптические тейперы, в частности, адиабатические тейперы 6. Тейперы выполнены в виде клиновидно сужающихся концов волновода и предназначены для изменения размера поля моды с помощью изменения геометрических размеров волновода. В зоне «А» - зоне ввода-вывода расположен участок низкоконтрастного волновода 2, сформированного в электрооптической подложке 1. В зоне «Б» расположен высококонтрастный волновод 2, геометрические размеры которого, в частности толщина и ширина его поперечного сечения, соответствуют размерам многомодового волновода. В зоне «В» размещены управляющие электроды 4, между которыми расположен низкоконтрастный волновод 2. Управляющие электроды 4 предназначены для создания электромагнитного поля в месте расположения низкоконтрастного волновода 2 для возможности управления оптическим сигналом. В зоне «В» может быть размещен участок 7 высококонтрастного волновода 3, у которого геометрические размеры поперечного сечения выбраны меньшими, чем размеры поперечного сечения одномодового волновода. Такой участок «узкого» высоконтрастного волновода 7 в этом случае расположен над низкоконтрастным волноводом 2 и соединен через   адиабатические тейперы 6 с соседними участками, на которых высококонтрастный волновод 6 имеет линейные размеры поперечного сечения многомодового  волновода. Так же в зоне «В» «узкий» высококонтрастный волновод 7 может быть выполнен прерывистым и может ограничиваться только концами адиабатических тейперов 6 соседних участков многомодового высококонтрастного волновода 3. В этом случае в области управления между управляющими электродами 4 расположен только низкоконтрастный волновод 2, над которым размещены интегрально-оптические тейперы 6 соседних участков многомодового высококонтрастного волновода 3. Одномодовые высококонтрастные волноводы из кремния используют на участках с изгибами 5 волноводных структур для предотвращения генерации мод высшего порядка. Высококонтрастные многомодовые волноводы из кремния используют на прямых участках волноводных структур и/или в областях перекачки энергии оптического излучения из(в) низкоконтрастного волновода для снижения оптических потерь, вызванных рассеянием на шероховатостях волноводных структур, например, на шероховатостях боковых стенок волновода.
1
2
Низкоконтрастный канальный волновод 2 может быть получен методом протонного или ионного обмена, легирования, диффузии примеси (например, титана), ионной имплантацией с последующих отжигом или другими схожими методами, при которых происходит реакция замещения Li+ → H+. Низкоконтрастные оптические волноводы 2, созданы в подложке из того же электрооптического материала, что и сама подложка 1, в них происходит изменение показателя преломления при приложении внешнего электрического поля. Показатель преломления низкоконтрастного волновода 2 на 0,001 – 0,15, превышает показатель преломления подложки 1 из оптического материала, в котором волновод 2 создан. Типичные габаритные размеры поперечного сечения таких низкоконтрастных волноводов составляют: ширина (W) 6 – 10 мкм; глубина (T) 3 – 10 мкм. В качестве материала высококонтрастного волновода 3 применяют кремний с показателем преломления n = 3,5 – 3,7 (кристаллический, поликристаллический или аморфный) или другие материалы. Линейные размеры поперечного сечения одномодового высококонтрастного волновода удовлетворяют следующим условиям для толщины T = 200 нм, ширина W составляет 400 – 800 нм. Многомодовый высококонтрастный волновод создают из кремния или поликристаллического кремния на подложке 1 со следующими размерами: для толщины T = 200 нм, ширина W = 1000 нм. Параметры адиабатического тейпера: длина 300 нм, начальная ширина W = 1000 нм, конечная ширина W = 300 нм, изменение ширины происходит линейно. Все значения показателей преломления и габаритных параметров волноводов приведены для λ = 1,55 мкм. Для получения высококонтрастного канального оптического волновода 3 методом напыления создают пленку заданной толщины из кремния на поверхности подложки из ниобата лития, например, магнетронным напылением, электронно-лучевым или плазмохимическими методами. Далее методами литографии, например, фотолитографии, лазерной, электронно-лучевой или другими способами формируют топологический рисунок. Жидкостным или плазмохимическим химическим травлением формируют профиль высококонтрастного волновода. Выполняют травление по маске с созданным ранее топологическим рисунком. При необходимости выполняют напыление оболочечных слоев магнетронным, электронно-лучевым или плазмохимическими методами. Оболочечные слои выполняют из оксида кремния различных стехиометрий или других диэлектрических материалов с показателем преломления менее 2,2. Для металлических управляющих электродов 4 используют такие материалы, как золото, серебро, медь, хром, никель, титан и др. Возможно использование многослойных металлических электродов, каждый слой которых состоит из различных металлов. Топологию металлических электродов 4 формируют на положке 1 фотолитографией, лазерной или электронно-лучевой литографией и методом магнетронного или термического напыления.
Все вышеописанные элементы составляют основу гибридного интегрально-оптического устройства, могут использоваться в различных комбинациях. Устройство может быть выполнено с различными вариантами топологии в зависимости от его функционального назначения и требований к выходным характеристикам оптического излучения.
Фазовый модулятор может быть, например, выполнен с расположением многомодового высококонтрастного волновода на электрооптической подложке и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления; с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления; с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и уменьшением размеров высококонтрастного волновода в области управления; с расположением многомодового высококонтрастного волновода непосредственно на электрооптической подложке и уменьшением размеров выскоконтрастного волновода в области управления. Фазовый модулятор может быть выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу на изгибах. На участках устройств, где используются делители и сумматоры оптического излучения используют высококонтрастный волновод, линейные размеры поперечного сечения которого соответствуют одномодовому волноводу для сохранения одномодового режима во всем устройстве. Вышеописанные модуляторы не являются исчерпывающими вариантами исполнения для конструкций заявляемого гибридного интегрально-оптического устройства.
Интегрально-оптическое устройство работает следующим образом.
Интегрально-оптическое устройство для встраивания в оптическую систему стыкуется любым из известных способов с оптическим волокном. Оптический сигнал из стыкуемого оптического волокна поступает на вход интегрально-оптического устройства и вводится в низкоконтрастный оптический волновод зоны «А», у которого модовое пятно по размеру соответствует модовому пятну оптического волокна. За счет этого потери оптического излучения на входе минимальны. Так, характерный диаметр модового пятна у стандартно используемых для стыковки оптических волокон составляется 8 – 11 мкм,  диаметр поля моды в низкоконтрастном волноводе,  сформированном в приповерхностном слое подложки 1, так же составляет 8 – 11 мкм. Оптические потери при этом незначительны - до 1 дБ на ввод излучения. Далее вся энергия оптического излучения перекачивается в высококонтрастный волновод 3. Перекачивание оптической энергии происходит за счет оптической связи мод низкоконтрастного и высококонтрастного волноводов. Оптическая связь достаточная для полной перекачки энергии между модами возникает за счет применения адиабатических тейперов. Интегрально оптический тейпер 6 является адиабатическим тейпером и преобразует параметры поля моды достаточно плавно, так что модовый состав тейпера и волновода, с которым связан тейпер, не изменяется. За счет применения адиабатического тейпера 6 при перекачке оптического сигнала из одномодового низкоконтрастного волновода 2 в многомодовый высококонтрастный волновод 3 не происходит генерации мод высших порядков. Геометрические параметры такого тейпера 6 рассчитывают методами распространяющегося луча (beam propagation method), конечных разностей (finite difference), конечных разностей во временной области (finite difference time domain). Данные методы расчета реализованы в коммерчески доступном программном обеспечении. Сохранение одномодового режима в многомодовом по размерам поперечного сечения высококонтрастном волноводе 3 за счет медленно меняющихся геометрических параметров тейпера 6 позволяет оптимально распределить интенсивность электромагнитного излучения внутри такого канального волновода и избежать потерь от рассеяния на шероховатостях стенок волноводов. При распространении оптического сигнала по волноводу в зоне «Б» большая часть энергии оптического излучения сконцентрирована и распространяется в сердцевине высококонтрастного волновода с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими многомодовому режиму распространения излучения. Далее оптический сигнал попадает в зону «В», которая является областью управления. В зоне «В» с помощью металлических управляющих электродов 4, соединенных с источником напряжения, создают электромагнитное поле, действующее на расположенные в этой зоне электрооптическую подложку и волноводы. Изменяя величину электрического напряжения, изменяют показатель преломления материала подложки и волновода. При изменении показателя преломления подложки и волновода изменяется фазовая характеристика оптической моды в области управления В. Управление фазовой характеристикой оптической моды позволяет создавать такие устройства, как фазовый модулятор, амплитудный модулятор, перестраиваемый фильтр на основе кольцевого резонатора и другие перестраиваемые интегрально-оптические элементы. Для возможности эффективного управления характеристиками оптического излучения на данном участке используют или только низкоконтрастный волновод 2, или совместно с низкоконтрастным волноводом 2 используют высококонтрастный волновод 7, линейные размеры поперечного сечения которого меньше, чем  у одномодового высококонтрастного волновода и могут иметь при толщине T = 200 нм, ширину W менее 400 нм. За счет возможности «выгонять» оптическое излучение из кремниевого волновода 3 в ниобат лития при существенном сужении высококонтрастного волновода 3, постоянные распространения оптического излучения в волноводе 3 и в волноводе 2 начинают совпадать, и излучение перекачивается в низкоконтрастный волновод 2. При распространении оптического сигнала в зоне «В» только по низкоконтрастному волноводу 2, почти 100 % энергии оптического излучения сконцентрировано и распространяется в низкоконтрастном волноводе, т.е. 100 % энергии оптического излучения распространяется в электрооптически активной среде. В случае распространения оптического сигнала в зоне «В» по низкоконтрастному волноводу 2 и одновременно по высококонтрастному волноводу 7, размеры поперечного сечения которого меньше размеров одномодового высококонтрастного волновода, от 10 % энергии оптического излучения распространяется в низкоконтрастном волноводе, т.е. от 10 % энергии оптического излучения распространяется в электрооптически активной среде. Чем больше процент энергии, распространяющейся в электрооптически активной среде, тем выше эффективность изменения характеристик оптического излучения в зоне «В». Управление характеристиками оптического сигнала в зоне «В» возможно осуществлять с частотами до 40 ГГц и более. После прохождения оптическим сигналом зоны «В» через адиабатический тейпер излучение распространяется по высококонтрастному волноводу с размерами, соответствующими многомодовому режиму, при этом большая часть энергии оптического излучения сконцентрирована и распространяется в высококонтрастном волноводе. После прохождения зоны «Б» оптическое излучение попадает в зону «А», где через адиабатический тейпер полностью перекачивается в низкоконтрастный волновод 2, который может быть состыкован с оптическим волокном.
Таким образом, во всех вышерассмотренных зонах гибридного интегрального-оптического устройства осуществляется эффективное управление и эффективное изменение характеристик оптического излучения. Комбинация зон в конкретном конструктивном исполнении устройства зависит от его назначения и решаемых технических задач.
В нижеприведенных примерах представлены характеристики и размеры элементов для использования в схемах гибридно-интегральных оптических устройств.
3
Пример 1: подложка гибридного интегрально-оптического устройства выполнена из ниобата лития (LiNbO) с показателем преломления 2,20, низкоконтрастный протонообменный волновод имеет показатель преломления 2,22, его линейные размеры поперечного сечения составляют: глубина 8 мкм, ширина 9 мкм; высококонтрастный волновод выполнен из кремния с показателем преломления 3,6. Линейные размеры поперечного сечения одномодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 700 нм; линейные размеры поперечного сечения многомодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 1000 нм. Геометрические параметры адиабатического тейпера: длина 300 нм, начальная ширина W1 = 1000 нм, конечная ширина W2 = 300 нм, изменение ширины происходит линейно. В области управления осуществляется перекачка 100 % энергии оптического излучения в низкоконтрастный волновод. Все параметры приведены для длины волны распространяющегося излучения 1,55 мкм.
3
2
Пример 2: подложка гибридного интегрально-оптического устройства выполнена из танталата лития (LiTaO) с показателем преломления 2,18, низкоконтрастный титанодиффузный волновод имеет показатель преломления 2,195, его линейные размеры поперечного сечения составляют: глубина 6 мкм, ширина 7 мкм; высококонтрастный волновод выполнен из оксида титана (TiO) с показателем преломления 2,614. Линейные размеры поперечного сечения одномодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 450 нм; линейные размеры поперечного сечения многомодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 600 нм. Геометрические параметры адиабатического тейпера: длина 250 нм, начальная ширина W1 = 600 нм, конечная ширина W2 = 300 нм, изменение ширины происходит линейно. В области управления осуществляется перекачка 100 % энергии оптического излучения в низкоконтрастный волновод. Все параметры приведены для длины волны распространяющегося излучения 0,63 мкм.
При описании заявляемого технического решения использованы следующие элементы и понятия, известные из существующего уровня техники.
‒ Мода оптического излучения – это самосогласованное устойчивое распределение электромагнитного поля (электромагнитная волна) внутри оптического волновода;
‒ Каналируемая мода оптического излучения – это мода, распространяющаяся по волноводу (вследствие эффекта полного внутреннего отражения или рефракции) с минимальными потерями энергии;
‒ Одномодовый режим распространения оптического сигнала – это такое состояние электромагнитного поля внутри волновода, при котором существует только одна каналируемая мода;
‒ Многомодовый режим распространения оптического сигнала – это такое состояние электромагнитного поля, при котором существует несколько каналируемых мод;
-Модовый состав – количество каналируемых (распространяющихся) мод внутри волновода:
‒ Фундаментальная мода – мода первого порядка (количество узлов у электромагнитной волны внутри волновода равно нулю);
‒ Моды высших порядков – моды у которых количество узлов у электромагнитной волны внутри волновода больше нуля;
‒ Поле моды – пространственное распределение интенсивности электромагнитного излучения;
‒ Радиус поля моды – размер моды в поперечном сечении, определяющийся как расстояние от точки с максимальной интенсивностью электромагнитного излучения в поле моды до точки, где интенсивность падает в е раз;
‒ Диаметр поля моды – удвоенный радиус поля моды;
-Интегрально оптический тейпер – волновод (комбинация волноводов) у которого геометрические параметры изменяются по определенному закону с целью изменить поле моды;
‒ Адиабатический тейпер – интегрально оптический тейпер который преобразует параметры поля моды достаточно плавно, так что модовый состав тейпера и волновода, с которым связан тейпер, не изменяется.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность работы интегрально-оптического устройства при повышении эффективности управления характеристиками оптического излучения и снижении оптических потерь при распространении сигнала.