WIPO logo
Mobile | Deutsch | English | Español | 日本語 | 한국어 | Português | Русский | 中文 | العربية |
PATENTSCOPE

Recherche dans les collections de brevets nationales et internationales
World Intellectual Property Organization
Recherche
 
Options de navigation
 
Traduction
 
Options
 
Quoi de neuf
 
Connexion
 
Aide
 
maximize
Traduction automatique
1. (WO2002006873) DILATATEUR DE FAISCEAU
Note: Texte fondé sur des processus automatiques de reconnaissance optique de caractères. Seule la version PDF a une valeur juridique

РАСШИРИТЕЛЬ ПУЧКА

Область техники

Изобретение относится к оптике и более точно касается расширителя оптического пучка.

Предшествующий уровень техники

Известен расширитель оптического пучка, распространяющегося в планарном оптическом волноводе, содержащий волноводную линзу (см., например, Y.Abdelrazek, Chen S.Tsai, and T.Q.Vu. An Integrated Optic RP Spectrum Analyzer in ZnO-GaAs-AlAsAs Waveguide, J.Lightwave Technology, 1990, Vol. 8, No 12, pp.1833-1837). Устройство работает аналогично стандартному коллиматору светового пучка, созданному на объемной линзе. В фокусе планарной линзы располагают малоразмерный источник оптического излучения, свет от которого сначала расширяется за счет дифракционной расходимости, а затем коллимируется планарной линзой. Независимо от возможного типа используемых волноводных линз (Френелевских, Люнеберга, геодезических или др.) это устройство характеризуется большими габаритами, обусловленными как геометрическими размерами самих линз, так и большой длиной (не менее фокусного расстояния самих линз), необходимой для формирования достаточно широкого и хорошо сколлимированного светового пучка.

Известен также расширитель пучка (V.Neuman, C.W.Pitt, L.M.Walpita. Guided-wave holographic grating beam expander - fabrication and perfomance, Electronics Letters, 1981, v.17, No 4, p.165-166), в котором расширение оптического пучка в волноводе осуществляется с помощью Брэгговской дифракционной решетки. Это устройство содержит планарный оптический волновод и средство расширения пучка в плоскости волновода, расположенное на пути пучка излучения и представляющее собой дифракционную решетку с очень малым периодом, штрихи которой изготовлены на поверхности оптического планарного волновода под углом равном углу Брэгга (0в), отмеренному по отношению к падающему световому пучку:

sin0B=K/2k, (1) где К=2л Л, Л - период дифракционной решетки, =2πΝ/λο - константа распространения света в волноводе, λ0 - длина волны света в вакууме, Ν -эффективный показатель преломления направляемой моды оптического волновода.

Устройство обеспечивает отклонение на 90 градусов узкого (меньше 1 мм) светового пучка, падающего на дифракционную решетку под брэгговским углом. Ширина расширенного пучка может составлять 5-10 мм. Она зависит от параметров взаимодействующих волн и дифракционной решетки. В известном устройстве дифракционная решетка на стеклянном волноводе изготавливалась методом ионного травления через маску фоторезиста, засвеченного голографическим методом путем сбивания двух оптических пучков. Решетка имела период 0.6 мкм и глубину 0.3 нм. Это обеспечило дифракционную эффективность 16% для направляемой моды с эффективным показателем преломления 1.536 на длине волны гелий-неонового лазера.

Однако данному устройству свойственна высокая расходимость выходящего светового пучка, которая определяется расходимостью падающего светового пучка с узкой апертурой, а также пространственной неоднородностью расширяемого пучка, обусловленной технологической сложностью изготовления дифракционных решеток с субмикронными размерами на большой апертуре. Данное ограничение является принципиальным с точки зрения практического использования расширителя пучка в акустооптических (АО) устройствах обработки и передачи информации, например АО спектроанализаторах, перестраиваемых фильтрах и т.д. В таких устройствах расходимость оптического пучка определяет такой важный параметр, как число разрешимых положений.

Раскрытие сущности изобретения

В основу изобретения поставлена задача создать расширитель пучка., который бы одновременно имел минимальные размеры и низкую расходимость выходящего оптического излучения.

Поставленная задача решается тем, что в расширителе пучка излучения, содержащем планарный оптический волновод и средство расширения пучка в плоскости планарного волновода, расположенное на пути пучка излучения, согласно изобретению, средство расширения пучка выполнено в виде полоскового волновода, снабженного набором элементарных отражателей, перекрывающих его апертуру, расположенного в плоскости планарного волновода непосредственно в нем или вблизи него с обеспечением возможности перехода отраженных элементарными отражателями пучков излучения в планарный волновод, при этом угол наклона и взаимное положение элементарных отражателей выбраны так, что разность фаз на рабочей длине волны излучения для любой пары пучков, отраженных от различных элементарных отражателей по существу кратна 2π.

Целесообразно для обеспечения существенного подавления (больше 20-30 дБ) боковых лепестков диаграммы направленности выходящего оптического излучения элементарные отражатели выполнить имеющими разный коэффициент отражения, величина которого уменьшается от средней части полоскового волновода к его концам.

В предпочтительном варианте выполнения угол наклона элементарных отражателей к продольной оси полоскового волновода выбирают равным по существу 45°.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает расширитель пучка с полосковым волноводом вблизи планарного волновода, согласно изобретению, изометрия;

фиг.2 - то же, что и на фиг.1 с полосковым волноводом, расположенным в планарном волноводе;

фиг. 3 - зависимость амплитуды излучения расширителя пучка от направления отраженного пучка в плоскости планарного волновода.

Описание лучших вариантов осуществления изобретения

На поверхности твердого тела - подложки 1 (фиг.1, 2) расположен тонкий слой толщиной несколько микрон с показателем преломления выше показателя преломления окружающих сред (подложки и окружающего верхнего слоя, в данном случае, воздуха). Такой слой является планарным оптическим волноводом 2, в котором световой пучок может распространяться внутри данного слоя с очень низкими потерями (меньше 1 дБ/см). Количество направляемых волн (волноводных мод), которые поддерживает данная структура, и пространственное распределение волноводных мод определяются профилем изменения показателя преломления по глубине.

В плоскости планарного оптического волновода 2, непосредственно в нем (фиг.2) или рядом с ним (фиг.1) выполнен полосковый оптический волновод 3.

Полосковый оптический волновод 3 имеет увеличенное значение показателя преломления по сравнению с показателем преломления планарного волновода 2 не только вглубь, но и поперек структуры. Поэтому он может поддерживать распространение узкого и не расходящегося оптического пучка вдоль своей оси в области с увеличенным значением показателя преломления. Полосковый волновод 3 ориентирован параллельно боковой кромке планарного волновода 2 и представляет собой локальную область на/либо под поверхностью твердого тела в виде тонкой полоски шириной от нескольких единиц до десятков микрон, с показателем преломления выше показателя преломления окружающей его среды. Волноводы 2 и 3 могут быть изготовлены путем диффузии металлов, протонным обменом из расплавов солей, распылением веществ с более высоким показателем преломления, чем у подложки 1, модификации свойств поверхностного слоя за счет облучения, например, электронами и/или фотонами, эпитаксией из газовой или жидкой фазы, и т.д.

В пределах области, которую занимает полосковый оптический волновод 3, изготовлен набор наклонных элементарных линейных отражателей 4, перекрывающих апертуру полоскового оптического волновода 3. Оптический пучок, подлежащий расширению вводят в полосковый оптический волновод 3 через вход 5, например, через полированный торец. Из входа 5 свет в дальнейшем проходит по полосковому волноводу 3 и, встречая на своем пути элементарные отражатели 4, разбивается на большое количество когерентных световых пучков, которые переходят в планарный оптический волновод 2 и формируют слаборасходящийся расширенный выходной пучок 6, направляемый к выходу 7. В случае, когда полосковый оптический волновод 3 выполнен в непосредственной близости - на расстоянии «а» от планарного оптического волновода 2 (см. Фиг.1), отраженные пучки 6' света туннелируют через разделяющую их область (расстояние «а») с более низким показателем преломления. Чтобы снизить оптические потери устройства, ширина этой области должна быть достаточно большой, чтобы спадающие оптические поля мод полоскового волновода 3 не достигали планарного волновода 2 (т.е. необходимо исключить радиационное затухание). А с другой стороны, это расстояние «а» должно быть достаточно малым, чтобы облегчить туннелирование через него волноводной моды. В этом плане, компромиссной является величина «а» разделяющей области, равная, по порядку величины, ширине самого полоскового оптического волновода 3,jr.e. порядка 5-20 мкм. В случае, когда полосковый оптический волновод 3 выполнен непосредственно в планарном оптическом волноводе 2 (см. Фиг.2), отраженные пучки света просто переходят из одного волновода в другой, пересекая с пренебрежимо малыми потерями через разделяющую их границу.

Для обеспечения максимального расширения оптического пучка, наклон отражателей 4 выбирают из условия отклонения отраженного пучка под углом близким к прямому углу (т.е. элементарные отражатели 4 должны быть наклонены под углом порядка 45 градусов к продольной оси полоскового оптического волновода). Однако, в общем случае, наклон может быть произвольным, исходя из конструкции конкретного устройства. Варьируя коэффициент отражения R и число « » отражателей 4 можно изменять как угловую расходимость выходящего пучка 6, так и уровень боковых лепестков. В частности, на фиг.З представлены угловые спектры расширителей пучка с апертурой 0.7 см для двух типичных случаев. Кривая 7 соответствует постоянному коэффициенту отражения для всех отражателей 4, а кривая 8 соответствует случаю, когда элементарные отражатели 4 выполнены с разным коэффициентом отражения, величина которого уменьшается от средней части полоскового оптического волновода 3 к его концам, в данном случае, в соответствии с усеченной функцией Гаусса. От конкретного вида функции, согласно которой изменяется коэффициент отражения отражателей 4 будет зависеть только форма углового спектра, в частности его угловая расходимость и уровень боковых лепестков, однако, общая тенденция снижения уровня боковых лепестков сохранится для любого вида функции убывания величины коэффициента отражения, от центра полоскового волновода 3 к его концам.

Отражатели 4 могут представлять собой локальные области в виде узких (порядка 0.2-2 мкм) полосок с измененными оптическими свойствами, например, из-за протонного обмена, ионной имплантации и т.д., а также канавок или ступенек (высотой порядка 10- 1000 нм) из того же или иного материала на поверхности полоскового оптического волновода 3. Коэффициент R отражения элементарного отражателя 4 обычно составляет 0.005 -0.0001 и может контролироваться путем выбора технологии изготовления и геометрии отражателя 4. Количество отражателей 4 должно быть достаточно велико (обычно произведение R*M больше 1, т.е. М порядка 500 -1000), чтобы обеспечить хорошие коллимирующие свойства (узкую направленность и высокую степень подавления боковых лепестков в угловом

пространстве) и высокую эффективность преобразования из узкого пучка в широкий пучок. Расстояние «Ь» между элементарными отражателями 4 обычно сравнимо с шириной полоскового волновода 3 (порядка 5-н20 мкм).

Работа устройства осуществляется следующим образом. Узкий оптический пучок вводят в полосковый оптический волновод 3 и через вход 5, при этом на каждом из элементарных отражателей 4 он делится на два пучка. Один (значительно меньший по интенсивности) отражается и переходит из полоскового оптического волновода 3 в планарный оптический волновод 2, а другой ( большей интенсивности, чуть меньший по интенсивности, чем падающий) проходит по полосковому оптическому волноводу 3 до следующего элементарного отражателя 4, на котором снова делится на два пучка, и т.д. Все отраженные пучки 6' суммируются с учетом оптического сдвига фаз, обусловленного задержкой светового пучка на промежутке между соседними отражателями 4 . Благодаря тому, что на рабочей длине волны света разница фаз для пучков 6', отраженных от различных элементарных отражателей 4 и переходящих из полоскового оптического волновода 3 в планарный оптический волновод 2 выбрана кратной числу 2π, все отраженные пучки 6' когерентно суммируются. Результирующий световой пучок 6 имеет большую ширину (в сотни и тысячи раз больше входной) и низкую расходимость выходящего оптического излучения, обусловленную постоянством фазового фронта оптической волны поперек полоскового волновода 3, а также строго заданным наклоном и положением большого количества элементарных отражателей 4.

Следует подчеркнуть принципиальное отличие предлагаемого расширителя пучка от расширителя пучка с голографической дифракционной решеткой. У последнего свет падает на топографическую дифракционную решетку под брэгговским углом и отклоняется в первом порядке дифракции. Этим объясняется необходимость иметь дифракционную решетку с очень малым периодом (доли микрона), которую из-за технологических сложностей изготавливают голографическим способом. В устройстве, согласно изобретению, используется эффект не брэгговской дифракции, а интерференции световых пучков, сформированных множеством отражателей. Причем, интерференция идет в высоких порядках интерференции, т.е. разность фаз между соседними пучками многократно (порядка 10 раз) превышает число 2π. Это позволяет иметь гораздо больший период (5-10 мкм) расположения элементарных отражателей 4, чем период штрихов дифракционной решетки у голографического расширителя пучка. Поэтому предлагаемое устройство более технологично. Разная физическая природа двух сравниваемых типов расширителей пучка, приводит к тому, что они описываются разными выражениями и обладают разными физическими особенностями. В частности, для типовых конструкций данных устройств, наклон и форма полосок будут принципиально разными. Для голографического расширителя пучка желательно иметь синусоидальную гофрировку поверхности, штрихи которой наклонены под брэгговским углом к падающему пучку. Для предлагаемого устройства, желательно иметь узкие вертикальные канавки с наклоном штрихов, определяемым периодом расположения канавок, но в любом случае в несколько раз (порядка 10) больше, чем брэгговский угол, рассчитанный для рабочей длины волны света.

Работу расширителя пучка можно проиллюстрировать на примере описания поведения оптического поля отраженной волны в виде его углового спектра в плоскости волновода. Результирующий угловой спектр Щр), излучаемый расширителем пучка описан следующим образом. Для простоты, опишем поперечное распределение электрического поля направляемой (волноводной) моды как ехр(-(y/wof), где wo - эффективная ширина полоскового волновода 3, у - поперечная координата (в плоскости планарного волновода 2). Каждый отражатель 4 имеет ширину 2w, описывается постоянным коэффициентом отражения R и сдвигом фаз Ъс,„, где хт - координата m-το отражателя. Пусть отражатели 4 расположены строго периодически с шагом d:

хт = dm, (2) Тогда U(p) может быть представлено в виде:

U(p)= uo(p) t exp(-ikpxm), (3)

-wm=l

где r=®; 2, t=(T)1/2, T=l-R, p - синус угла наблюдения, измеренного относительно оси, соответствующей направлению пучка, отраженного от элементарного отражателя, щ(р) - угловой спектр, излучаемый элементарным отражателем.

И'

щ(р) = С J exp(-ikpxm -(x/w0)2), (4)

где С - нормировочная константа.

Для простоты положим, что отношение w/wo много больше единицы, тогда можно получить:

(р) = С( ) exp(-(hvp/2)2), (5) и(р) = (п)т exp(-(kwp/2)2) г(1- Ш) exp(-ikpdM))/(l-t ехр(-гкр ). (б). Угловое распределение интенсивности расширенного пучка имеет вид.

1(р)= I u(p) 1 2 = С2п exp(-(kwp)2/2) х

х((1-^-')2 + 4 ^-!зт2(М(1-р)(М-1)/2)/((1- 2 + 4 t sin2(kd(l-p)/2)) (7)

Излучаемый спектр расширителя пучка с рабочей длиной волны о =1.54 мкм, показан на Фиг. 3 для постоянного коэффициента отражения i?=0.002 (кривая 7). Он имеет очень узкий пик шириной порядка 0.0001 радиана. При расчете считалось, что N-2.2, элементарные отражатели 4 располагаются строго периодически с периодом d=7 мкм, число отражателей М=1000, общая длина структуры отражателей dM=0.7 cm, эффективная ширина полоскового оптического волновода W0=1O мкм. Кривая 8 соответствует случаю, когда элементарные отражатели 4 выполнены с переменным (разным) коэффициентом отражения, величина которого уменьшается от средней части полоскового оптического волновода 3 к его концам, в данном случае в соответствии с усеченной функцией Гаусса: r(i)=rexp[5((i-500)/l ООО)2] . Кривая 8 получена методом численного интегрирования зависимости (3) с учетом того, что г и t зависят от порядкового номера отражателя (i). Хорошо видно, что за счет изготовления элементарных отражателей 4 с переменным коэффициентом отражения, величина которого уменьшается от средней части к концам полоскового оптического волновода, можно добиться существенного подавления (больше 20 дБ) боковых лепестков диаграммы направленности выходящего оптического излучения.

Положение максимума углового спектра расширителя пучка определяется выражением:

kd(l-p) = 2πτηχ, (8) где πΐχ - порядок интерференции (целое число). Этот максимум соответствует такому порядку интерференции (тх), для которого направление распространения очень близко к зеркальному отражению (р= ) от элементарных отражателей. Для нашего случая тх = 10 при Ло=1.54 мкм.

Таким образом, расположение отражателей 4 выбирают согласно уравнению (8) при р=0. Это соответствует условию, что на рабочей длине волны оптического

излучения направление распространения одного из порядков интерференции {ηΐ ) и зеркально отраженных пучков практически совпадают. Другими словами это означает, угол наклона и положение элементарных отражателей 4 выбирают таким образом, что на рабочей длине волны света разница фаз для пучков отраженных от различных элементарных отражателей по существу кратна числу 2π.

Причем, согласно (8) диаграмма направленности расширенного пучка смещается как целое (сканирует) при изменении длины волны света согласно:

р = (λ,η-λ)/λ,η, (9)

где λ„ι = dN/ ιηλ.

Расширитель пучка излучения, согласно настоящему изобретению, одновременно имеет минимальные размеры (в нашем примере рабочее поле всего 0,002-0.7 см ) и низкую расходимость (порядка 0.0001 рад) выходящего оптического излучения, диаграмма направленности которого сканирует при изменении длины волны оптического излучения.

Промышленная применимость

Расширитель пучка излучения, согласно изобретению, может быть использован в качестве коллимирующих или селектирующих элементов в различных интегрально-оптических схемах. Кроме того, свойство расширителя пучка менять направление излучения при изменении длины волны света может оказаться полезным, при конструировании оптических перестраиваемых фильтров для систем частотного уплотнения, используемых в волоконно-оптической связи. Расширитель пучка может быть изготовлен по известной технологии, разработанной для создания устройств интегральной оптики и микроэлектроники.