ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ПО СХЕМЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА МАХА-ЦЕНДЕРА
ELECTROOPTIC MODULATOR ON MACH-ZEHNDER INTERFEROMETRE CIRCUIT

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам регулирования интенсивности оптического излучения, и может быть использовано для амплитудной модуляции лазерного излучения, обработки и передачи оптической информации.
В настоящее время является актуальной проблема создания устройств управления интенсивностью оптического излучения, способных обрабатывать лазерное излучение повышенной мощности до единиц ватт.
Известны электрооптические модуляторы света на базе интерферометра Маха-Цендера, изготовленные в интегрально-оптическом исполнении. В таких моделях свет распространяется в оптических волноводах, которые сформированы либо напылением на подложку волноводного слоя из материала с сильными электрооптическими свойствами, либо путем локальной диффузии поверхности монокристаллической подложки с целью образования волноводных каналов, при этом волноводный эффект возникает из-за увеличения показателя преломления в зоне канала.
Известен широкополосный электрооптический модулятор, включающий монокристаллическую подложку и сформированную на ней систему оптических волноводов с одним входом и одним выходом, сконфигурированных по схеме интерферометра Маха-Цендера, обеспечивающей пространственное разделение когерентного пучка света на два одинаковых по интенсивности пучка, которые, пройдя различные оптические пути в волноводах, сводятся вместе. На подложке размещены электроды, взаимное расположение которых обеспечивает создание касательных электрических полей, проникающих в сечение каждого из волноводов. При приложении управляющего электрического напряжения к электродам создается разность фаз между световыми пучками, поэтому в результате соединения расщепленных пучков света на выходе происходит интерференция сдвинутых по фазе пучков света. Интенсивность оптического потока на выходе модулятора зависит от созданной разности фаз, которая в свою очередь определяется величиной управляющей разности потенциалов. При подаче на электроды управляющего напряжения излишки энергии перекачиваются в рассеянное световое поле (заявка US 2004/0062466, МПК G02F 1/035).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является интегрально-оптический модулятор Маха-Цендера, включающий монокристаллическую подложку, сформированные на подложке и расположенные в плечах модулятора два оптических волновода, связанные с одним входом и двумя выходами модулятора. В каждом плече модулятора расположен фазовый модулятор, выполненный в виде электродов, создающих касательные электрические поля, проникающие в сечение каждого волновода при приложении к ним управляющего электрического напряжения. Исходный световой поток, распространяясь по волноводам, расщепляется на два пучка света. При движении в расщепленном виде по волноводам световые потоки оказываются в зоне действия поперечного электрического поля, ориентированного по касательной к поверхности подложки. Ориентация кристалла подложки обеспечивает возникновение линейного поперечного электрооптического эффекта Поккельса. При приложении управляющего электрического напряжения к электродам в одном из волноводов происходит дополнительное, вызванное действующим электрическим полем, "убыстрение" светового потока, в то время как в другом волноводе происходит аналогичное "замедление" потока. Поэтому в результате соединения расщепленных потоков на выходе происходит интерференция сдвинутых по фазе пучков света, и в один из выходов модулятора попадает оптический поток, интенсивность которого зависит от созданной разности фаз, которая в свою очередь определяется величиной управляющей разности потенциалов. В результате происходит перекачка энергии из одного выхода модулятора в другой при подаче управляющего напряжения (заявка WO 03/089984, МПК G02F 1/313).
Недостатком известных модуляторов является ограничение мощности излучения, распространяющегося в волноводе, до 50 мВт. Данное ограничение введено для предотвращения повреждения или пробоя волновода из-за высоких плотностей энергии, обусловленных малыми поперечными сечениями волноводов.
Задачей настоящего изобретения является создание электрооптического модулятора по схеме интерферометра Маха-Цендера, позволяющего управлять лазерным излучением повышенной мощности до 5 Вт (намного превышающей мощность управляемого лазерного излучения прототипа) с сохранением произвольных значений глубин модуляции управляемого лазерного излучения.
Поставленная задача решается тем, что в электрооптическом модуляторе по схеме интерферометра Маха-Цендера, включающем делитель светового потока на два пучка света, соединитель разделенных пучков света и два электрооптических элемента с электродами, подключенными к источнику управляющего напряжения, согласно предлагаемому решению электрооптические элементы выполнены в виде призм из монокристаллического материала с линейным электрооптическим эффектом, оси z которого противоположно направлены и перпендикулярны основаниям призм, электроды расположены на основаниях призм. При этом часть поверхности призм, предназначенная для входа и выхода разделенных пучков света, выполнена с просветляющим покрытием, а часть поверхности призм снабжена отражающими элементами для обеспечения прохождения пучков света через просветляющие покрытия.
Делитель светового потока и соединитель разделенных пучков света выполнены в виде светоделительных кубиков, составленных из двух треугольных призм с диэлектрическим зазором в месте их сопряжения и изготовленных из монокристаллического материала с коллинеарными осями z, перпендикулярными основаниям призм.
Делитель светового потока и соединитель разделенных пучков света выполнены в виде треугольных призм, изготовленных из монокристаллического материала с коллинеарными осями z, при этом треугольная призма делителя светового потока сопряжена с боковой гранью входа пучка света в электрооптический элемент, а треугольная призма соединителя сопряжена с боковой гранью выхода пучка света из электрооптического элемента, сопряжение выполнено с диэлектрическим зазором, а делитель светового потока, соединитель разделенных пучков света и электрооптические элементы выполнены из материала с одинаковым коэффициентом преломления.
Делитель светового потока и соединитель разделенных пучков света выполнены в виде диэлектрического зазора между электрооптическими элементами при соединении их между собой.
Отражающие элементы выполнены в виде зеркального покрытия или отполированных поверхностей.
Электрооптические элементы в основании имеют прямоугольную или равнобедренную трапеции, или прямоугольник, или параллелограмм.
Электрооптические элементы в основании имеют тупоугольную трапецию с острым углом при меньшем основании, равном углу Брюстера, при этом делитель светового потока и соединитель разделенных пучков света выполнены в виде слоев из материала, обеспечивающего возможность частичного отражения пучков света, и нанесенных на боковые грани входа и выхода пучков света электрооптических элементов.
Диэлектрический зазор выполнен воздушным или заполнен оптическим клеем.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-6 представлены модификации электрооптического модулятора по схеме интерферометра Маха-Цендера.
3
На фиг.7 представлена основная характеристика электрооптического модулятора, выполненного из кристаллов LiNbO, как зависимость интенсивностей двух выходных световых пучков от приложенного управляющего напряжения.
Позициями на фиг.1-6 обозначены: 1 - делитель светового потока на два пучка света, 2 - соединитель разделенных пучков света, 3 - электрооптические элементы, 4 - электроды, 5 - отражающие элементы, 6 - поглощающий элемент.
Электрооптический модулятор включает делитель светового потока 1 на два пучка света, два электрооптических элемента 3, расположенных в плечах модулятора, и соединитель разделенных пучков света 2, которые образуют схему интерферометра Маха-Цендера. На поверхность электрооптических элементов 3 нанесены электроды 4 в виде напыления металла. Электроды 4 подключены к источнику управляющего напряжения (не показано). Электрооптические элементы выполнены в виде уплощенных призм из монокристаллического материала, обладающего линейным электрооптическим эффектом, например ниобата лития, титаната бария, бастрона и др. Основания и две боковые грани каждой из призм расположены в параллельных плоскостях, при этом основания призм могут представлять собой, например, прямоугольную, или равнобедренную, или тупоугольную трапеции, или прямоугольник, или параллелограмм. Боковые грани призм содержат просветленные области для входа и выхода разделенных пучков света и снабжены отражающими элементами 5. Отражающие элементы могут являться частью электрооптических элементов и представляют собой отполированные грани кристалла, от которых свет отражается в условиях эффекта полного внутреннего отражения (фиг.1-2, 4-6), или диэлектрические структуры (слои), напыленные на электрооптические элементы (фиг.3). Делитель светового потока 1 и соединитель разделенных пучков света 2 могут быть выполнены в виде светоделительных кубиков из монокристаллического оптически прозрачного материала, составленных из двух равновеликих прямоугольных треугольных призм с взаимно ортогональными боковыми гранями и отполированными гипотенузными гранями (фиг.1-3). Призмы склеены между собой по гипотенузным граням оптическим клеем. Делитель светового потока 1 и соединитель разделенных пучков света 2 также могут быть выполнены в виде прямоугольных треугольных призм, соединенных с электрооптическими элементами с помощью оптического клея (фиг.4). При этом призмы изготавливают из оптически прозрачного материала с показателем преломления, близким или одинаковым с показателем преломления материала электрооптических элементов для предотвращения нарушения траектории распространения световых пучков, вызванного преломлением. Толщину слоя клея выбирают близкой к величине 0,1 оптической длины волны света в материале клея с показателем преломления в диапазоне 1,2-1,45, что обеспечивает в месте склейки режим нарушенного полного внутреннего отражения. В электрооптическом модуляторе, представленном на фиг.5, делитель светового потока 1 и соединитель разделенных пучков света 2 выполнены в виде диэлектрических или металлических тонких пленок, нанесенных на две боковые грани входа и выхода световых пучков, скошенных под углом Брюстера, при этом световые пучки поляризованы перпендикулярно плоскости оснований призм и вводятся и выводятся из электрооптических элементов также под углом Брюстера, что создает ортогональное направление движения расщепленных и соединенных пучков света. Кроме того, электрооптический элемент 3 выполнен с элементом поглощения 6, образованным путем напыления поглощающей структуры в области выхода светового пучка.
В модификации модулятора, представленного на фиг.6, оба электрооптических элемента соединены между собой путем склейки оптическим клеем по наиболее длинным граням.
Электрооптический модулятор работает следующим образом. Исходный монохроматический световой поток попадает на делитель светового потока 1 и делится на два одинаковых пучка, движущихся далее ортогонально друг другу. Эти два пучка направляются в электрооптические элементы 3, в которых при подаче на электроды управляющего напряжения происходит изменение показателя преломления за счет поперечного эффекта Поккельса. Благодаря этому один из световых пучков "замедляется", а другой "ускоряется", и они приобретают взаимную разность фаз, максимальная величина которой достигает π рад. В ходе распространения световых пучков в электрооптических элементах направление их движения корректируется с помощью отражающих элементов 5, придающих пучкам света необходимую траекторию. После электрооптических элементов 3 световые пучки попадают в соединитель разделенных пучков света 2. Так как во всех представленных модификациях электрооптических модуляторов соединение (интерференция) световых пучков происходит на тонком диэлектрическом зазоре в условиях эффекта нарушенного полного внутреннего отражения или в сходных условиях, то интенсивность световых пучков в каждом из двух выходов модулятора будет обусловлена выражениями:
1
2
1
2
0
jϕ
где I - интенсивность светового пучка в первом выходном канале модулятора, I - интенсивность светового пучка во втором выходном канале модулятора, А - амплитуда светового пучка в первом плече модулятора, G - амплитуда светового пучка во втором плече модулятора, которая может быть представлена как Ae, причем , , ϕ - фазовый сдвиг между оптическими пучками в плечах модулятора, линейно зависящий от поданного управляющего напряжения, n - показатель преломления материала электрооптических элементов, делителя светового потока и соединителя разделенных пучков света, n - показатель преломления диэлектрического зазора, k - волновое число, j - мнимая единица. Из этих выражений видно, что интенсивности каждого из выходных пучков изменяются по гармоническому закону от поданного напряжения, и эти зависимости смещены относительно друг друга на π рад.
3
2
3
Пример 1. Был изготовлен электрооптический модулятор (см. фиг.1), электрооптические элементы которого выполнены в виде призм из ниобата лития LiNbO высотой 3 мм и с основаниями в виде прямоугольной трапеции высотой 5 мм, длина большего основания которой равна 40 мм. Одна из боковых сторон трапеции образует угол с большим основанием трапеции, равный 45°. Оси z обоих электрооптических элементов параллельны и направлены в противоположные стороны. Электроды сформированы на основаниях электрооптических элементов путем напыления на них меди. Скошенные торцевые грани электрооптических элементов, используя эффект полного внутреннего отражения, выполняли роль зеркал. В качестве делителя и соединителя световых потоков использованы светоделительные кубики с пропорцией прошедшего и отраженного пучков света 50/50 и с длиной ребра, равной 10 мм. Кубики состоят из двух призм с основаниями в форме равнобедренного прямоугольного треугольника, выполненных из ниобата лития, склеенных между собой по гипотенузным граням оптическим клеем марки ПЭО-110К с показателем преломления, приблизительно равным 1.5, и функционирующие на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения. Входные и выходные грани светового потока светоделительных кубиков и электрооптических элементов просветлены посредством напыления на них слоя окиси алюминия AlO. Светоделительные кубики расположены относительно электрооптических элементов таким образом, что выходные грани делителя и входные грани соединителя параллельны входным и выходным граням электрооптических элементов соответственно. Распространение света в электрооптических элементах имеет преимущественно прямолинейный характер, за исключением областей, прилегающих к зеркалам. Исходный световой поток, попадая на светоделительный кубик, разделяется на два ортогональных световых пучка, один из которых продолжает распространяться в том же направлении внутри электрооптического элемента, что и исходный поток, а затем, достигнув противоположной отполированной грани, перенаправляется во второй светоделительный кубик. Второй световой пучок попадает в другой электрооптический элемент и, отражаясь от его полированной грани, проходит сквозь него, также попадая на второй светоделительный кубик, где оба световых пучка интерферируют и выходят из модулятора по двум каналам.
3
2
3
Пример 2. В модификации электрооптического модулятора (см. фиг.2) использовались электрооптические элементы, выполненные в виде призм из монокристалла ниобата лития LiNbO высотой 3 мм с основаниями в форме равнобедренной трапеций высотой 8 мм, длиной большего основания 32 мм и острым углом при большем основании трапеции, равным 45°. Электроды сформированы на основаниях электрооптических элементов путем напыления на них меди. В качестве делителя и соединителя световых потоков использованы светоделительные кубики, описанные в примере 1. Светоделительные кубики расположены относительно электрооптических элементов таким образом, что выходные грани делителя и входные грани соединителя параллельны входным и выходным граням электрооптических элементов соответственно. Входные и выходные грани светоделительных кубиков и электрооптических элементов просветлены посредством напыления слоя окиси алюминия AlO. Такая конфигурация модулятора позволяет исходному световому пучку, расщепившись на делителе на два пучка света, входить в электрооптические элементы ортогонально в центр их торцевых «левых» граней и распространяться внутри электрооптических элементов, совершая нечетное количество внутренних переотражений от боковых граней под углом 45° в условиях полного внутреннего отражения, увеличивая тем самым путь, проходящий световыми пучками в зоне действия управляющего электрического поля. Световые пучки выходят ортогонально из центра «правых» торцевых граней электрооптических элементов и попадают на соединитель разделенных пучков света, где они интерферируют и выходят из модулятора по двум каналам.
2
3
Пример 3. Электрооптические элементы (см. фиг.3) представляют собой два прямоугольных параллелепипеда, изготовленных из монокристалла ниобата лития высотой 3 мм, длинами сторон оснований 40 мм и 5 мм. На основания электрооптических элементов путем напыления нанесены слои меди, являющиеся электродами. На наиболее длинные боковые грани параллелепипеда напылен диэлектрический слой из окиси кремния SiO. Делителем и соединителем световых потоков являются светоделительные кубики (см. пример 1). Светоделительные кубики размещены относительно электрооптических элементов таким образом, что выходные грани делителя и входные грани соединителя расположены под углом 45° к входным и выходным граням электрооптических элементов. Входные и выходные грани светоделительных кубиков и электрооптических элементов просветлены посредством напыления слоя окиси алюминия AlO. Световые пучки, расщепившись на делителе, проникают в электрооптические элементы через боковые грани под углом 45° и выходят из них аналогичным образом. Проникая в электрооптические элементы под углом 45°, световые пучки преломляются и распространяются в них под более острым углом, что обеспечивает достижение большой многоходовости световых пучков внутри электрооптических элементов в зоне действия управляющего электрического поля.
2
3
Пример 4. Электрооптические элементы (см. фиг.4) представляют собой две призмы высотой 3 мм, изготовленные из ниобата лития. Основания призм имеют форму параллелограмма высотой 8 мм и длиной большей стороны 40 мм с углами 45° и 135°. Электрооптические элементы имеют напыленные на свои основания системы электродов из меди. К входной и выходной граням соответствующего электрооптического элемента приклеены треугольные призмы высотой 3 мм с помощью оптического клея марки ПЭО-110К с показателем преломления, близким к 1.5. Призмы имеют форму оснований в виде равнобедренного прямоугольного треугольника с длиной катетов 8 мм и выполнены из монокристалла ниобата лития. Призмы приклеены к электрооптическим элементам гипотенузными гранями и со слоем клея между ними и электрооптическими элементами являются делителем и соединителем световых пучков, функционирующих на принципе эффекта нарушенного полного внутреннего отражения. На входные и выходные грани светоделительных призм и электрооптических элементов напылен просветляющий слой окиси алюминия AlO. Распространение световых пучков в модуляторе аналогично описанному в примере 1, за исключением того, что деление светового потока на два пучка света и их интерференция происходит в области соединения треугольных призм с входной и выходной гранями электрооптических элементов соответственно.
Пример 5. Электрооптические элементы (см. фиг.5) представляют собой две призмы высотой 3 мм, изготовленные из ниобата лития. Основания призм представляют собой тупоугольную трапецию высотой 8 мм, длиной большего основания 40 мм, острым углом при большем основании, равным 45°, и острым углом при меньшем основании, равным 56°, который в данных условиях является углом Брюстера. Входом, а также делителем исходного светового пучка является меньшая боковая грань одного из электрооптических элементов. Поляризованный перпендикулярно плоскости оснований призм световой пучок вводится в электрооптические элементы и выводится из них под углом Брюстера к нормали, за счет чего исходный световой поток делится на два ортогональных друг другу пучка света, что позволяет в конечном итоге двум разделенным световым пучкам распространяться параллельно в плечах модулятора. Так как деление поляризованных световых пучков при падении на границу раздела двух сред под углом Брюстера не дает деления с соотношением отраженного и прошедшего света как 50/50, то на обе грани, наклоненные под углом Брюстера, напыляют семипроцентно отражающие диэлектрические зеркала из окиси кремния SiO. Две оставшиеся меньшие боковые грани электрооптических элементов выполняют роль корректирующих зеркал, действующих на эффекте полного внутреннего отражения. Электрооптические элементы имеют напыленные на основания системы медных электродов. Т.к. один из выходных световых каналов выходит обратно внутрь электрооптического элемента и не является полезным, на длинную боковую грань электрооптического элемента в области выхода светового пучка нанесен поглощающий элемент 6, как показано на фиг.5, для исключения переотражения и распространения отраженного светового пучка внутри электрооптического элемента.
3
2
3
Пример 6. Электрооптические элементы (см. фиг.6) выполнены в виде призм из монокристалла ниобата лития LiNbO высотой 3 мм с основаниями в форме равнобедренных трапеций высотой 8 мм, длиной большего основания 32 мм. Стороны трапеции образуют с большим основанием углы, равные 45°. Электроды сформированы на основаниях электрооптических элементов путем напыления на них меди. Электрооптические элементы склеены между собой большими боковыми гранями с помощью оптического клея марки ПЭО-110К, имеющего показатель преломления, близкий к величине 1.5, что позволяет слою данного клея выступать в качестве тонкого диэлектрического зазора между двумя электрооптическими элементами и использоваться в качестве делителя и соединителя световых пучков. Входные и выходные грани электрооптических элементов просветлены посредством напыления слоя окиси алюминия AlO. Исходный световой поток ортогонально заходит в середину торцевой грани одного из электрооптических элементов и, достигая внутри него слоя склейки, делится на два световых пучка, которые распространяются в электрооптических элементах, совершая нечетное число полных внутренних отражений от внешних и внутренних боковых граней, что обеспечивает их движение по ломаной линии в зоне действия управляющего электрического поля.
На фиг.7 представлена зависимость интенсивностей двух выходных световых пучков от приложенного управляющего напряжения, демонстрирующая возможность достижения глубин модуляции вплоть до 100% с величиной управляющего напряжения 150 В.
В предлагаемом решении отсутствуют оптические волноводные структуры, и распространение света имеет пучковый характер в кристаллической среде, что позволяет управлять лазерным излучением мощностью до 5 Вт, что на два порядка превосходит возможности прототипа. Наличие делителя светового потока на два пучка света и соединителя разделенных и измененных по фазе пучков света позволяет получить интерференционное управляемое взаимно скорректированное изменение интенсивности света на каждом из двух выходов модулятора по сравнению с исходным светом в пределах от величины, близкой к нулю, до почти максимальной величины.