A 3.3. Протон-обменные волноводы

Волноводы с прямой диффузией Ti на LiNbO₃ подложке – эта технология подходит для волоконного гироскопа, но, в идеале, однополяризационный волновод предпочтительно обеспечить очень хорошим фильтром поляризации. Как мы уже видели, обратная диффузия Li₂O увеличивает необычный коэффициент преломления, который дает направление только для волны, поляризованной вдоль оси z. Однако этот метод является трудно контролировать для волноводных каналов, поскольку материал, используемый для маскировки, не должны диффундировать и испытывать недостаток ионов кислорода, увеличивающих затухание.

Аналогичный эффект однополяризационного волновода может быть получен с протонным обменом, где субстрат LiNbO₃ помещается в расплавленную органическую кислоту и H⁺ ионы (т.е. протоны) заменяют Li⁺ ионы в кристаллической решетке. Этот метод не ухудшает ослабление и имеет очень привлекательное свойство увеличения низкого значения необычного показателя преломления при снижении значения высокого обычного показателя преломления. Это дает направление только для z- поляризационной моды, параллельной необыкновенной оси. Такой однополяризационный волновод предусматривают очень высокое затухание отношения ненаправляемых скрещенных поляризаций.

Протонный обмен, однако, обрабатывается при относительно низкой температуре (около 200-300 °C), что позволяет избежать проблемы прямой диффузии маски, но первые экспериментальные продемонстрировали потери от низкой долгосрочной стабильности. Значительное увеличение продолжительности жизни дали методы отжига, и протоннообменные цепи теперь дают многообещающий технологический выбор для конструкции волоконного гироскопа, потому что отказ от высокой поляризации является одной из важных особенностей, обязательной для высокой производительности.

Оптимальная эффективность модуляции достигается одинаковой с x -проекцией y -распространения c ориентацией на прямую диффузию Ti. Электроды, размещенные на обеих сторонах протон-обменнного волновода, модулируют передачу ТЕ моды с электро-оптическим коэффициентом усиления r ₃₃ (Рисунок A3.10).

Протонно-обменный волновод по существу показывает не чувствительность к оптическим повреждениям (т.е. коэффициент дрейфа при высокой мощности освещения), которые могут быть связаны с прямой диффузией Ti. Однако это преимущество не очень важно для приложений волоконного гироскопа, в котором оптическая мощность не очень высока.

Примечание 1: Танталат лития (LiTaO₃) может быть возможной альтернативой LiNbO₃ в качестве материала подложки. Фактически, LiTaO₃ имеет электро-оптические свойства очень похожие на свойства LiNbO₃ (r _{33 LiTaO3} ≈ r _{33 LiNbO3}), и это также очень часто используется в массовых оптических

Только ТЕ (быстро)

ТЕ

Протонно-обмен- ный волновод

Электроды

X срез

Рисунок A3.10. Протоно-обменный фазовый модулятор

модуляторах. Однако оба кристаллы являются также ферро-электриками и дают стабильную электро-оптическую эффективность, ферро-электрический кристалл должен электрически противоположно ориентировать все микроскопические домены в одном направлении (как ферромагнитные материалы является магнитноориентированы для получения постоянного магнита); но поляризация сегнетоэлектрика теряется при температуре выше температуры Кюри T _С. Для LiNbO₃ T _С = 1150 °C и прямая диффузия Ti остается ниже T _С; но для LiTaO₃, T _С = 610 °C, что делает металлическую прямую диффузию намного сложнее, потому что она требует реполяризации подложки после каждого процесса. Однако этот недостаток LiTaО₃ исчезает с протонным обменом, поскольку он реализуется только при 200-300 °С.

Заметим, однако, что LiTaO₃ имеет двулучепреломление, которое более чем на порядок ниже, чем у LiNbO₃ (Δ n соотвествует 0,004 вместо 0,08). Для приложений волоконного гироскопа это является недостатком, поскольку реполяризация, вызванная двулучепреломлением, очень выгодна.

Примечание 2: Неприятие поляризации протон-обменной LiNbO₃ цепи происходит не благодаря явлению поглощения: поперечно-поляризованный свет не направляется и дифрагирует подложку. Таким образом, некоторый свет может быть частично сцепленным возвратиться в выходное волокно.

Рассмотрим пример моды волокна, которая имеет диаметр 2 w ₀ = 5 мкм при λ = 0,85 мкм. Если предположить, что скрещенные поляризации дифрагируют в единой среде, угол полного расхождения составляет (см. приложение 1); то есть 0,1 рад в LiNbО₃ где ≈ 2,2. После длины 30 мм, дифракция характерного диаметра . Рассоединение отношения скрещенных поляризаций на выходе волокна тогда будет (см. приложение 2).

(A3.2)

то есть около-50 дБ.

Экспериментальные результаты гораздо лучше, но это можно объяснить просто интерферометрическим эффектом "зеркала Ллойда" на верхней поверхности субстрата. Фактически ненаправляемые волны полностью отражаются внутри этой поверхности: это дает интерферометр зеркала Ллойда с интерференцией между двумя источниками, ввода волокна и его виртуального образа (Рисунок A3.11). Кроме того, общее внутреннее отражение касательно сферы действий побуждает сдвиг фаз π рад, поэтому центральная полоса, расположенная на поверхности, есть черная полоса, резко снижающая плотность мощности, получаемой на выходе волокна, расположенном чуть ниже этой поверхности.

Рисунок A3.11. Паразитное рассоединение неволноводной перекрестной поляризации

Подложка

Интерференция

Вывод ядра

Дифракция

Ввод ядра

Изображение

Полное внутреннее отражение

Более точно оценить это паразитное соотношение рассоединения можно впредположении, что это на самом деле дифрактометрия второго порядка антисимметричной моды на выходе волновода с ее виртуальным имиджем. Как показано в приложении 2, эту моду можно рассматривать как моду "производной псевдо-Гауссиана" с углом полного расхождения между обеими экстремальными значениями:

(A3.3)

 

где w ₁ – половины ширины при максимальной вводимой в волокно моде. Предполагая, что w ₁≈ w ₀, соотношение паразитарного сцепления из антисимметричных мод в настоящее время

 

(A3.4)

 

с . С теми же численными значениями, что и выше, это дает теоретическую отбраковку-85 дБ.

Однако многократное отражение между обеими поверхностями подложки может побудить другие паразитные волн и поведение излученной скрещенной поляризации должно быть проанализировано именно для того, чтобы получить лучшие отбраковки в протон-обменных волноводах.

Библиография

Об интегральной оптике:

• Хатчесон, л. д., ed., "Интегральные оптические цепи и компоненты," Марсель Деккер, 1987.

О протон-обменных LiNbO₃ цепях:

• Вонг, к. K., ed., "Комплексная оптика и оптоэлектроника II," SPIE Proceedings, Vol. 1374, 1990.

О волноводной теории:

• Marcuse, д., "Теория диэлектрических оптических волноводов," Academic Press, 1974.

• Vassalo, C, «Концепции оптических волноводов концепции,» Elsevier, 1991.

 

⇐ Предыдущая38394041424344454647Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: