Оптика фемтосекундных лазерных импульсов - Ахманов С.А.
ISBN 5-02-013838-Х
Скачать (прямая ссылка):
ГЛАВА 6
АКТИВНЫЕ УСТРОЙСТВА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ
6.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ МОДУЛЯТОРОВ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Любая ОИС состоит из активных и пассивных элементов или устройств. Обычно под активными элементами (устройствами) понимают такие компоненты, для работы которых требуется приложение соответствующего управляющего напряжения, пропускание тока или подача оптического управляющего сигнала. В этом смысле активными элементами являются лазеры и фотоприемники, переключатели и модуляторы света, логические и арифметические элементы и т. ,п. Пассивными являются компоненты, которые 'выполняют фиксированное !преобразование информационного оптического сигнала или волны в OB и не требуют для своей работы управляющих электрических или оптических сигналов. К ним относятся фильтры, разветвители, мультиплексоры и демультиплексоры, волноводные линзы и призмы и т. п.
Одним из важнейших активных элементов ОИС являются волноводные модуляторы и переключатели, назначение и основные характеристики которых во многом совпадают. Их основными характеристиками являются глубина модуляции т|, полоса пропускания частот А/, вносимые потери а, потребляемая мощность P и
.135 защищенность между каналами от переходных влияний (изоляция каналов) G.
При модуляции оптического излучения по интенсивности глубина модуляции г] определяется как отношение абсолютного значения разности интенсивностей излучения на выходе модулятора (переключателя) 1 три наличии и отсутствии управляющего сигнала (обычно электрического 'напряжения Li) к максимальному значению ,интенсивности проходящего оптического сигнала Io-Максимальной глубине модуляции r]max соответствует вполне определенное значение управляющего сигнала. Для фазовых модуляторов ,понятие глубины модуляции не определено. В таких случаях наведенному внешним управляющим сигналом изменению фазы оптической волны в OB Ф ставят в ,соответствие эквивалентную модуляцию излучения по интенсивности.
Хорошо известно, что в интерференционных волноводных модуляторах различного типа глубина модуляции излучения по интенсивности, равная отношению интенсивности излучения на выходе модулятора 1 к интенсивности на его входе Jo, есть
гіде Ф = Фо+АФ; Фо — статическая разность фаз оптических волн в плечах модулятора; АФ=кАп*Ь — индуцированная управляющим сигналом напряжением U разность фаз оптических волн в плечах модулятора, которая для электрооптических модуляторов равна
Здесь L — длина электродов модулятора; — соответствующий электрооптический коэффициент материала OB; d — ширина зазора между электродами; п* — эффективный показатель преломле-" ния моды OB; — числовой коэффициент, учитывающий гео-
метрию системы электродов и перекрытие электрических полей модулируемой волны и модулирующего сигнала [19, 74]. Фазовой модуляции лри Ф=1 рад соответствует эквивалентная модуляция излучения по интенсивности с глубиной 84%. Именно для этой глубины модуляции и определяют потребляемую мощность на единицу 'полосы частот P/Af, которую обычно называют удельной потребляемой мощностью.
!Наиболее типичным примером является модулятор, выполненный на основе диффузионных '»анальных OB, полученных диффузией Ti в подложки ІлИЬОз различной ориентации. В зависимости от среза подложки LiNbOs выбирают соответствующее расположение электродов модулятора (переключателя): для X- и У-сре-зов электроды располагают рядом с OB, так что для модуляции используется -горизонтальная составляющая управляющего электрического поля <§и, а для Zjcpe3a один из электродов располагают на самом волноводе, а второй рядом с ним, чтобы использовать вертикальную составляющую управляющего электрического поля Sх (рис. 6.1,а, б). Во втором случае для уменьшения потерь 136
11 = ///„ = COS2 (Ф/2),
(6.1)
ДФ = g л г и n*' UL/d К.
(6.2) в OB на его !поверхность дополнительно наносят тонкий изолирующий слой диэлектрика, например SiO2, на который затем наносят слой металла. Третий вариант расположения электродов (рис. 6.1,в) применяется в электрооптических модуляторах и переключателях на основе ,полупроводниковых материалов, в которых OB расположен на проводящей лодложке, например из полупроводниковых соединений AiiiBiv. В этом случае модуляция в OB осуществляется также с помощью вертикальной составляющей управляющего электрического поля Sx .
В OB на основе ниобата лития оптимальной конфигурацией для модулятора, обеспечивающей использование наибольших компонент тензора электрооптических коэффициентов rij, является X(У)-срез для направления распространения поверхностной световой волны вдоль оси В данном случае для Еуп7п-мод возможна эффективная модуляция за счет компоненты г3з, имеющей наибольшее значение по сравнению с другими компонентами. Другой подходящей конфигурацией является Z-срез ниобата лития, который обеспечивает максимальную модуляцию для Exnm-мод за счет компоненты гзз.
В общем случае ни прикладываемое управляющее электрическое поле ни электрическое поле E моды OB не являются однородными. Поэтому для определения электрооптически индуцированного изменения фазы волны ДФ в модуляторе (см. выражение (6.2)) и эффективного показателя преломления необходимо вычислить интеграл перекрытия нормированных соответствующим образом полей & и E [74]:
