A3.1. Интегрированный оптический световод
Концепция комплексной оптики базируется на основе использования методов микролитографии изготовления оптических компонентов волноводов на планарной подложке. Как и в интегральной электронике, это обеспечивает возможность объединения нескольких функций по той же схеме с процессом массового производства. Это также повышает компактность и уменьшает соединения.
Основным элементом интегральной оптической схемы является полоска или волноводный канал. Это собирается в узком канале с легирующей примесью и с увеличенным коэффициентом преломления. Канал изготовляется методом микролитографической маски под поверхностью подложки. Этот субстрат действует как эквивалент окружающей оптическое волокно оболочки (Рисунок А3.1). В частности, одномодовое распространение, которое требуется в интерферометре, получается с волноводной шириной и глубиной в несколько микрометров и с коэффициентом вариации в несколько десятых долей процента. Эти значения очень похожи на характеристики ядра одномодового волокна.
Однако, в связи с подложкой покрытия цилиндрическая симметрия волокна теряется, что делает теорию более сложной. В частности основная мода больше не вырождается с точки зрения поляризации. Вместо гибридной НЕ11 основной моды волокна, основная мода – поперечная электрическая мода (ТЕ) поляризации параллельно покрытию подложки и магнитная мода (TM) поперечной поляризации, перпендикулярная поверхности подложки (Рисунок A3.2). Компонента продольной магнитной ТЕ моды и продольной электрической компоненты ТМ моды обычно крайне незначительны, как в
| Рисунок А3.1.
Соотношения между (а) интегрированным оптическим волноводом и (b) оптическим волокном.
|
| Рисунок А3.2. НЕ11 моды в волокне и ТЕ и ТМ моды
в интегрально-оптическом волноводе
|
случае с продольной электрической и магнитной компонент НЕ11 моды волокна, так как показатель степени волновода также мал.
Для сцепления света внутри волновода стороны подложки полируются с отчетливыми краями, и кончик волокна стыкуется с ядром стоящего против него волновода (Рисунок A3.3). Поскольку основные моды имеют сходные размеры с ядром волокна и волновода, есть хорошая эффективность
| Рисунок А3.3.
Соединение кончика волокна с волноводом
|
сцепления (обычно 70% до 90%, потери соединения, 1,5-0,5 дБ). Несколько методов может использоваться для износоустойчивости этих соединений. В частности волокна могут проводиться в небольших манжетах, которые непосредственно наклеиваются на стороне подложки (Рисунок А3.4), подложка, как правило, один миллиметр в толщине, хотя диаметр волокна составляет порядка от одной десятой доли миллиметра. Принимая в расчет потери соединений и распространения, дополнительные потери волоконно-волокнных концов цепи составляют обычно 2-15 дБ, в зависимости от сложности цепи.
| Рисунок А3.4.
Износоустойчивое соединение волокна с волноводом
|
Различные материалы, такие, как III-V полупроводники, кремнезем, вышекремнеземные стекла волноводов являются потенциальными кандидатами для интегрированных оптических цепей; но для приложений волокон к гироскопам оптимальным выбором является ниобат лития (LiNbO3), технологии которого является самой передовой с точки зрения развития. Основная выполняемая функции это фазовая модуляция, и LiNbO3 имеет очень хорошие электрооптические свойства: применением электрического поля E с электродами коэффициентом преломления можно визуально контролировать оптические волны в связи с электрооптическим эффектом Поккельса и индуцируемого им фазового сдвига. Это используется для изготовления модуляторов в объемной форме; но интегральная оптика предоставляет дополнительное преимущество, поскольку электроды могут размещаться очень близко друг к другу в волноводе, в то время как в объемной форме должно быть оставлено пространство во избежание дифрактометрия пучка света. Это сокращает длину линии электрического поля по сравнению с объемными модуляторами, тем самым уменьшая вводимое напряжение для обязательных значений поля E в материале (Рисунок A3.5). Значение V π (т.е. напряжение,
| Электро-оптический кристалл
|
| Электро-оптическая подложка
|
| Рисунок А3.5. Сравнение фазовых модуляторов:
(а) интегральной оптики; (b) объемной оптики
|
необходимое для получения фазового сдвига π рад) попадает в диапазон несколько вольт, вместо сотен вольт в объемной форме. Это делает LiNbO3 интегральную оптику совместимой с низковольтной электроникой.
A 3.2. LiNbO3 интегральная оптика
Наиболее распространенной технологией изготовления интегрально-оптических волноводов LiNbО3 является прямая диффузия титана (Ti) (Рисунок A3.6). С фотолитографической маской очень узкие полоски тонких пленок (несколько десятков нанометров) титана осаждаются на подложке. Подложку разогревают до 900 °C - 1100 °C на несколько часов, титан диффундирует в основание и локально увеличивается показатель преломления. Это обеспечивает одномодовое распространение в узких каналах без деградации низкого ослабления объемного материала. Поскольку процесс прямой диффузии очень медленный, он происходит только при высоких температурах, и Ti-диффузированные LiNbO3 волноводы очень стабильны со временем.
| Рисунок А3.6. Процесс диффузии титана на подложку LiNbO3 волновода: (а) осаждении титановых лент; (b) диффузия
|
Электро-оптический эффект Поккельса, используемый для фазовой модуляции, сложен, поскольку LiNbO
3 это однонаправленный двулучепреломляющий кристалл и его электро-оптическая эффективность зависит от соответствующей ориентации направления движения электрического поля
E d и оптического электрического поля
E op. Значения коэффициентов LiNbO
3 приводятся в следующей таблице для самых обычных "волокон" волноводов:
| LiNbO3
| λ= 850 нм
| λ=1300 нм
| λ= 1550 нм
|
| Обычный показатель преломления
n 0= nx = ny (медленная ось)
|
2.25
|
2.22
|
2.21
|
| Необычный показатель преломления
ne = nz (быстрая ось)
|
2.17
|
2.15
|
2.14
|
| Δ nb = ne –n 0
| 0,079
| 0.075
| 0,073
|
Сильнейший электро-оптический коэффициент – диагональный член r 33 (r 33 =31×10–12 м/В); то есть наиболее эффективная модуляция фазы получается при обоих E d и E op полях параллельных экстраординарной z -оси (также называемой С-оси). В этом случае коэффициент изменения δ nz
(A3.1)
где Edz – z-компонентa E d.
Чтобы получить эту оптимальную эффективность, необходимо на x -проекции подложки (т.е., x-ось перпендиеклярна поверхности подложки) y- направление волновода (т.е. волновод параллелен оси y). Затем ТЕ мода, которая имеет горизонтальное поле Eop, параллельное оси z, может быть эффективно модулировано с плоскими металлическими электродами, которые закреплены на обеих сторонах волновода на втором этапе фотолитографического процесса. Под электроды вертикально введено поле E d, в связи с электромагнитными граничными условиями на металле; но линии поля согнуты под поверхностью для подключения обоих электродов и E d на самом деле параллельно горизонтальной оси z в регионе волновода (Рисунок A3.7(a)). Мода ТМ также модулируется через скрещенные r 13 коэффициенты, поскольку ее оптическое поле E op параллельно оси x (Рисунок A3.7(b)), но значение r 13 меньше, чем одна треть от r 33 (r 13=9×10–12 м/В). С такой конструкцией, ТЕ мода имеет типичное значение V π 2 вольта, и ТМ мода имеет типичное значение V π 7 вольт для 10 мм длины модулятора при длине волны 850 нм.
Обратите внимание, что работа на больших длинах волн увеличивает значение V π для модулятора той же длины. Фактически ширина волновода и интервал электродов имеют масштабируемую пропорциональность отношения длин волн к поддержанию той же оптимальной конфигурации. Это увеличение расстояния между электродами и, таким образом, длин линий поля, дает
| Рисунок A3.7. Фазовая модуляция с X-проекцией и Y-направлением волновода: (а) ТЕ мода; (b) ТМ мода
|
увеличение требуемого вводимого напряжения пропорционально отношению длин волн. Кроме того, изменение фазы δΦ обратно пропорционально длине волны для заданного изменения показателя преломления δ
n, начиная с δΦ=2πδ
nL /λ: это добавляет вторую зависимость отношения длин волн. Затем значение
V π увеличевается пропорционально квадрату отношения длин волн. Для той же ТЕ моды и длины 10 мм
V π будет 4,5 вольт при 1300 нм, вместо 2 вольт на 850 нм.
Другой важной характеристикой интегрально-оптических фазовых модуляторов является их передающая пропускная способность. Они могут работать с постоянным напряжением, даже если могут возникнуть некоторые проблемы долгосрочного дрейфа, а верхний предел частоты диктуется остаточной электрической емкостью двух электродов, которые расположены очень близко друг к другу и размещаются на материале, который имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость на частотах обычной модуляции (εLiNbО3 ≈ 30). Хороший порядок амплитуды емкости от 10 пФ для 10 мм длины, который дает диапазон рабочих частот 300 МГц с параллельным резистором нагрузки 50 Ом. Это значение не ограничивает применение для волоконного гироскопа. Кроме того, отклик модулятора является очень плоским в рамках этой полосы пропускания, что делает интегральную оптику идеальной технологией для выполнения важных функций процесса фазовой модуляции сигнала волоконного гироскопа. Для телекоммуникационных приложений, требующих полосу пропускания в несколько гигагерц, конструкция модулятора более сложна, и необходимо использовать электроды бегущей волны с соответстующим линейным импедансом.
Такая конфигурация x-проекции ТЕ является наиболее эффективной и наиболее типичной конструкцией, но она может сталкиваться с проблемой обратной диффузии Li2O на поверхности подложки при нагреве, необходимом для прямой диффузии титана LiNbO3 состоит на самом деле из комплекса LiO2 и Nb2O5. Стехиометрический состав (Li2O)0,5 (Nb2O5) 0,5, но материал может выдерживать слегка нестехиометрический состав (Li2O) x (Nb2O5)1- x, с x от 0,48 до 0,5. В частности, достигается высокое материальное единообразие в составе так называемой конгруэнтной композиции (x = 0,486), для которой существует состав равновесия между твердой и жидкой фазами в точке плавления (1243 °C), где выращивают кристаллы. Oбратная диффузия LiO2 снижает значение x, которое не меняет обычный показатель преломления n 0, но дает увеличение необычного показателя преломления ne. Это создает паразитную планарную волноводную необычную поляризацию (т.е. ТЕ моду в x -проекции), которая может вызвать оптическую утечку или перекрестные помехи между полезной прямой диффузией каналов волноводов. Обратная диффузия может быть подавлена методами, такими, как, например, смачивание входящего потока газа в печь диффузии или насыщение атмосферы порошком Li2O.
Чтобы избежать эффекта обратной диффузии, представляется возможность работы с ТМ модой, которая поляризована вдоль обычной оси x с подложкой на x -проекции, но есть помеха, понижающая эффективность модуляции. Однако это не желательно для приложений волоконного гироскопа, потому что другой важный компонент – поляризатор, эффективный метод изготовления которого заключается в покрытии волновода слоем металла, который поглощает ТМ моду, несмотря на то, что он передает ТЕ моду (Рисунок A3.8).
С другой стороны, чтобы эта переносимая мода ТЕ, поляризованная вдоль обычной оси, не подвергалась обратной диффузии, можно использовать z-сечение подложки с y -распространением волновода. В этой конфигурации один электрод должен охватывать волновод для получения вертикального поля возбуждения E d, параллельного оси z в регионе волновода и с фазовой модуляцией ТЕ моды через коэффициент r 13 (Рисунок A3.9). Даже если он не является оптимальным, эффективность модуляции остается приемлемой, и, кроме того, покрытие электрода выступает в качестве поляризатора, который может оказаться очень полезным.
Для полноты картины можно добавить, что некоторые конкретные компоненты используют альтернативные направления и другие электро-
| Рисунок А3.8. Металлическое покрытие поляризатора
|
| Рисунок А3.9. Фазовая модуляция ТЕ моды с Z-проекцией и
Y-распространением волновода, один электрод, действуя
в качестве поляризатора, подавляет ТМ моду
|
оптические коэффициенты. В частности, z -распространения в волноводах необходимы, когда эффект двулучепреломления LiNbO3 должен быть устранен, но это не выгодно для волоконного гироскопа, в котором, напротив, двулучепреломление очень полезно потому, что оно возбуждает деполяризацию.
Воспользуйтесь поиском по сайту:
