Электрически возбуждаемое оптическое устройство для сдвига частоты

Электрически возбуждаемое оптическое устройство для сдвига частоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

В общем, настоящее изобретение относится к электрически возбуждаемому оптическому устройству для сдвига частоты, в частности, предназначенному для использования в оптической системе для сдвига частоты оптического сигнала, распространяющегося в оптическом волноводе, до очень высоких частот.

Уровень техники

Как известно, с ранней поры телефона и телеграфа связные сигналы традиционно передают по медным проводам и кабелям. Однако в последние годы связные сигналы в возрастающем объеме передают в виде световых пучков по оптическим волноводам. На основе оптических волноводов разработано периферийное оборудование различных видов, например соединительные устройства и переключатели. В частности, при оперировании оптическими связными сигналами широко используют технологию, известную как интегральная оптика. Используя эту технологию, связные сигналы в виде световых пучков передают по оптическим волноводам, образованным в подложках, изготовленных из электрооптических материалов, таких как ниобат лития (LiNbO₃), который, вероятно, является наиболее широко используемым материалом вследствие его хороших электрооптических свойств и возможности изготовления оптических волноводов с низкими потерями.

Хотя в настоящее время интегральную оптику широко используют при передаче сигналов, удовлетворение непрекращающегося спроса на оптические приборы, работающие на все более высоких частотах, ограничивается трудностью изготовления оптических устройств для сдвига частоты с соответствующими характеристиками.

На фиг.1 показано стандартное представление оптического устройства для сдвига частоты, имеющего оптический вход, где принимается входной оптический сигнал с входной оптической частотой, электрический вход, где радиочастотный электрический сигнал возбуждения с электрической частотой в диапазоне сверхвысоких частот принимается для электрического возбуждения оптического устройства для сдвига частоты, и оптический выход, на который подводится выходной оптический сигнал с выходной оптической частотой, равной входной оптической частоте входного оптического сигнала, повышенной на электрическую частоту электрического сигнала возбуждения. На фиг.1 также показаны оптические спектры входного и выходного оптических сигналов, а также временная диаграмма электрического сигнала возбуждения.

На фиг.2 показано схематичное представление известного оптического устройства 1 для сдвига частоты, которое, в основном, включает в себя оптическую волноводную структуру 2, сформированную обычным образом в подложке 3 (показанной на следующей фиг.3) из электрооптического материала, обычно ниобата лития (LiNbO₃), например избирательной диффузией титана в подложку 3.

Подложка 3 имеет кристаллическую структуру Х-среза, то есть кристаллическую структуру с осью Х кристалла, которая является ортогональной к основной поверхности 3а подложки 3 (то есть поверхности наибольшей площади); ориентация кристаллической структуры обуславливает связь электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, в основном, вдоль оси Z кристалла кристаллической структуры, то есть электрооптическая связь вдоль двух других осей кристалла является пренебрежимо малой по сравнению с электрооптической связью вдоль оси Z кристалла.

В действительности, электрооптический эффект обуславливает пространственное изменение показателя преломления электрооптического материала в зависимости от интенсивности и направления внешнего электрического поля, приложенного к нему. В частности, вдоль данного пространственного направления показатель преломления изменяется пропорционально интенсивности электрического поля вдоль этого направления. Изменения показателя преломления вдоль трех осей X, Y и Z кристалла электрооптического материала можно вычислить путем скалярного умножения вектора электрического поля на матрицу 3×3 электрооптических коэффициентов. В случае кристалла LiNbO₃ из числа электрооптических коэффициентов матрицы 3×3 электрооптический коэффициент, имеющий наибольшее значение, представляет собой r₃₃ (≈30 пм/В), который связывает изменение показателя преломления, воздействующее на электромагнитные волны, поляризованные вдоль оси Z кристалла, с составляющей электрического поля вдоль той же самой оси.

Оптическая волноводная структура 2 содержит Y-образную волноводную структуру 4 и повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру 5, связанные последовательно. Y-образная волноводная структура 4 включает в себя входную ветвь 6, выполненную с возможностью связи при использовании с входным оптическим волокном (не показанным), и пару взаимно оптически связанных ветвей 7, ответвляющихся от входной ветви 6. Повернутая в противоположном направлении Y-образная волноводная структура 5 содержит пару взаимно оптически развязанных ветвей 8, связанных с соответствующими взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4 и сливающихся в выходную ветвь 9, выполненную с возможностью связи при использовании с выходным оптическим волокном (не показанным). Одна из взаимно оптически развязанных ветвей 8 из повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 структурирована таким образом, что наводит изменение фазы на π рад в оптическом сигнале, распространяющемся по ней.

В частности, две взаимно оптически связанные ветви 7 из Y-образной волноводной структуры 4 разнесены на расстояние S (первое межволноводное расстояние), достаточно небольшое, чтобы гарантировалась взаимная оптическая связь, обычно находящееся в пределах от 5 до 10 мкм, тогда как две взаимно оптически развязанные ветви 8 из повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 разнесены на расстояние D (второе межволноводное расстояние), достаточно большое, чтобы предотвращалась взаимная оптическая связь. Кроме того, степень κ_связи связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4 является функцией первого межволноводного расстояния S через коэффициент e^-αS пропорциональности, где α является обратной величиной расстояния, на котором коэффициент связи уменьшает до доли 1/е экстраполированное значение на нулевом расстоянии.

Оптическое устройство 1 для сдвига частоты также содержит электропроводную электродную структуру 10 толщиной 1-30 мкм, обычным способом сформированную из золота или аналогичных металлов над основной поверхностью 3а подложки 3, поверх взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4.

В частности, как показано на фиг.3, электродная структура 10 включает в себя внутренний электрод 11, расположенный между взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4, и пару внешних электродов 12, расположенных за пределами взаимно оптически связанных ветвей 7 по противоположным сторонам внутреннего электрода 11 и симметрично по отношению к нему. Диэлектрический (например, SiO₂) буферный слой 13 расположен между основной поверхностью 3а подложки 3 и электродной структурой 10 для предотвращения или минимизации поглощения оптической энергии электродной структурой 10.

Внешние электроды 12 обычно заземлены, тогда как на внутренний электрод 11 подается электрический сигнал возбуждения, имеющий электрическую частоту Ω и момент β_Ω, который является результатом приложения радиочастотного напряжения возбуждения между внутренним электродом 11 и внешними электродами 12. Радиочастотное напряжение возбуждения создает противоположные электрические поля между внутренним электродом 11 и внешними электродами 12; электрические поля имеют направление, по существу параллельное основной поверхности 3а (и оси Z кристалла) и поперечное соответствующей одной из взаимно оптически связанных ветвей 7, при противоположных ориентациях. Поскольку электрооптическим коэффициентом с принимаемым в расчет значением является только r₃₃, эти противоположные электрические поля наводят противоположные изменения показателей преломления во взаимно оптически связанных ветвях 7 из Y-образной волноводной структуры 4.

Входной оптический сигнал, состоящий из единственной симметричной моды, с коэффициентом N_S распространения, оптической частотой ω_S и моментом β_S, и принимаемый на входной ветви 6 оптического устройства 1 для сдвига частоты, распространяется вдоль Y-образной волноводной структуры 4, которая вследствие взаимной оптической связи ее ветвей функционально воспринимается входным оптическим сигналом как единый волновод, который может поддерживать две отдельные супермоды с противоположной четностью, известные как симметричная супермода и антисимметричная супермода. В отсутствие других явлений, то есть присущих асимметрий и/или электрических возмущений, только симметричная супермода будет распространяться без возбуждения антисимметричной супермоды. Поэтому только единственная симметричная супермода с такой же мощностью, как и мощность входного оптического сигнала, показателем N_S распространения, оптической частотой ω_S и моментом β_S начинает распространяться по Y-образной волноводной структуре 4.

Во время распространения симметричная супермода находится под воздействием упомянутых выше противоположных изменений показателей преломления, и это приводит к частичной передаче энергии из симметричной супермоды к антисимметричной супермоде, которая начинает распространяться в дополнение к симметричной супермоде. Антисимметричная супермода имеет частоту ω_А, равную частоте ω_S симметричной супермоды, сдвинутой вверх на частоту Ω электрического сигнала возбуждения, подаваемого на внутренний электрод 11 (ω_A=ω_S+Ω), момент β_А равен моменту β_S симметричной супермоды, сдвинутому вверх на момент β_Ω электрического сигнала возбуждения, подаваемого на внутренний электрод 11 (β_A=β_S+β_Ω), (вследствие ограничивающего условия сохранения момента), и показатель N_A распространения.

Поэтому на выходе Y-образной волноводной структуры 4 присутствуют остаточная симметричная супермода и антисимметричная супермода, которые входят в повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру 5, в каждой ветви которой распространяется составной оптический сигнал, имеющий половину мощности входного оптического сигнала и содержащий симметричную моду с двумя лепестками одинакового знака и антисимметричную моду с двумя лепестками противоположных знаков. Во время распространения вдоль повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 в одном из двух составных оптических сигналов наводится изменение фазы на π рад, поэтому в выходной ветви 9 из повернутой в обратном направлении Y-образной волноводной структуры 5, где два составных оптических сигнала объединяются, получается суммирование двух лепестков антисимметричной моды в один выходной оптический сигнал, имеющий частоту ω_А, и взаимная компенсация двух лепестков оставшейся симметричной моды.

Резонансная частота Ω оптического устройства 1 для сдвига частоты, то есть электрическая частота Ω электрического сигнала возбуждения, который при подаче на электрический вход оптического устройства для сдвига частоты приводит к максимальной эффективности сдвига, задаются проектными характеристиками самого оптического устройства для сдвига частоты, и, в частности, она прямопропорциональна степени κ_связи связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4; в свою очередь, степень κ_связи связи пропорциональна e^-αS, где S является первым межволноводным расстоянием между взаимно оптически связанными ветвями 7 и дается следующей формулой:

N_S-N_A ∝ κ_связи ∝ e^-αS.

Поэтому повышение рабочей частоты можно получить, уменьшая первое межволноводное расстояние между S взаимно оптически связанными ветвями 7.

Задача и краткое изложение сущности изобретения

Заявитель убедился на опыте, что непрекращающуюся потребность в повышении резонансных частот и, следовательно, частотных сдвигов оптических устройств для сдвига частоты очень трудно удовлетворить в случае невозможности уменьшения межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями Y-образной волноводной структуры ниже определенных значений.

В действительности, как описывалось ранее, для получения частотного сдвига при электрооптической связи электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, необходимо, чтобы оптические сигналы, проходящие во взаимно оптически связанных ветвях из Y-образной волноводной структуры, подвергались воздействию противоположных изменений коэффициентов преломления для возбуждения антисимметричной супермоды. Чтобы получать такой результат, взаимно оптически связанные ветви располагают между внутренним электродом и внешними электродами, при этом электрические поля параллельны оси Z кристалла и имеют противоположные ориентации.

Чрезмерное уменьшение межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями из Y-образной волноводной структуры будет приводить к тому, что взаимно оптически связанные ветви будут располагаться под внутренним электродом, где электрические поля параллельны оси X кристалла и ориентированы в одинаковом направлении, что препятствует любой электрооптической связи между электрическим и оптическим полями.

С учетом изложенного выше заявитель отмечает, что современная архитектура оптических устройств для сдвига частоты представляет собой препятствие значительному повышению резонансной частоты и, следовательно, частотного сдвига, получаемого с помощью известных оптических устройств для сдвига частоты.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованного оптического устройства сдвига частоты, в котором исключены ограничения известных оптических устройств для сдвига частоты, что позволяет получать более высокие рабочие частоты оптических приборов.

Эта задача решается настоящим изобретением, которое относится к оптическому устройству для сдвига частоты, определенному в прилагаемой формуле изобретения.

В настоящем изобретении упомянутая выше задача решается путем использования электрооптической подложки с кристаллической структурой Z-среза, содержащей два противоположно поляризованных участка, то есть участки, имеющие противоположные ориентации оси Z кристалла, и путем расположения внутреннего электрода, центрированного над границей, между двумя противоположно поляризованными участками, и, наконец, путем расположения взаимно оптически связанных ветвей из Y-образной волноводной структуры под внутренним электродом, очень близко друг к другу и по противоположным сторонам границы, так что взаимно оптически связанные ветви из Y-образной волноводной структуры располагаются на соответствующих участках подложки, имеющих противоположные ориентации оси Z кристалла.

Противоположные ориентации оси Z кристалла на двух участках подложки обуславливают наличие противоположных значений электрооптического коэффициента r₃₃ на этих участках, и поэтому, даже если взаимно оптически связанные ветви из Y-образной волноводной структуры расположены в области подложки (под внутренним электродом), где электрические поля параллельны оси Z кристалла и ориентированы в одинаковом направлении, оптические сигналы, проходящие во взаимно оптически связанных ветвях из Y-образной волноводной структуры, подвергаются воздействию изменений противоположных показателей преломления, и поэтому возбуждается антисимметричная супермода и получается требуемый частотный сдвиг.

С другой стороны, значительное уменьшение межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями из Y-образной волноводной структуры позволяет иметь значительно более высокую степень κ_связи связи, и поэтому резонансная частота Ω оптического устройства для сдвига фазы также может быть заметно повышена.

Краткое описание чертежей

Теперь для лучшего понимания настоящего изобретения предпочтительные осуществления, которые предназначены только для примера и не должны толковаться как ограничивающие, будут описаны с обращением к сопровождающим чертежам (все не в масштабе), на которых:

фиг.1 - стандартное представление оптического устройства для сдвига частоты вместе с диаграммами, относящимися к его электрическому и оптическим сигналам;

фиг.2 - схематичное представление известного оптического устройства для сдвига частоты и оптических мод, распространяющихся по нему;

фиг.3 - сечение области оптического устройства для сдвига частоты из фиг.2; и

фиг.4 - сечение области оптического устройства для сдвига частоты согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных осуществлений изобретения

Нижеследующее рассмотрение представлено, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники выполнить и использовать изобретение. Различные модификации к осуществлениям без отступления от заявленного объема настоящего изобретения должны быть полностью очевидны для специалистов в данной области техники. Поэтому настоящее изобретение не предполагается ограниченным показанными осуществлениями, а в соответствии с самым широким объемом должно быть согласованным с принципами и признаками, раскрытыми в этой заявке и определенными в прилагаемой формуле изобретения.

На фиг.4 показано сечение области оптического устройства для сдвига частоты согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения, при этом теми же самыми позициями и знаками, что и позиции и знаки на фиг.3, обозначены аналогичные элементы, которые не будут описываться повторно.

Как показано на фиг.4, кристаллическая структура подложки 3 имеет ориентацию Z-среза, то есть представляет собой кристаллическую структуру с осью Z кристалла, которая является ортогональной к основной поверхности 3а подложки 3, над которой расположена электропроводная электродная структура 10. Такая конфигурация подложки обуславливает связь электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, в основном, вдоль оси Х кристалла кристаллической структуры, то есть электрооптическая связь вдоль других двух осей кристалла является пренебрежимо малой по сравнению с электрооптической связью вдоль оси Х кристалла. В действительности, в этом случае электрооптический коэффициент r₃₃ с наиболее высоким значением из матрицы 3×3 электрооптических коэффициентов связывает изменение показателя преломления, проявляющегося в электромагнитных волнах, поляризованных вдоль оси Х кристалла, с составляющей электрического поля вдоль той же самой оси.

Кроме того, подложка 3, по меньшей мере в области, где расположена электродная структура 10, предварительно обработана так, что содержит два противоположно поляризованных участка 20, 21, то есть участки, имеющие противоположные ориентации оси Z кристалла (что схематично показано стрелками на фиг.4); противоположные ориентации обуславливают наличие противоположных значений электрооптического коэффициента r₃₃ на двух противоположно поляризованных участках 20, 21, что приводит к наведению противоположных изменений показателей преломления электрическими полями, одинаково ориентированными вдоль оси Z кристалла.

Кроме того, внутренний электрод 11 электродной структуры 10 расположен над границей 22 между двумя противоположно поляризованными участками 20, 21 подложки 3, а взаимно оптически связанные ветви 7 из Y-образной волноводной структуры 4 расположены под внутренним электродом 11, очень близко друг к другу (разнесены на первое межволноводное расстояние S) и по противоположным сторонам границы 22. Следовательно, взаимно оптически связанные ветви 7 расположены на соответствующих участках подложки 3, имеющих противоположные ориентации оси Z кристалла и противоположные значения электрооптического коэффициента r₃₃. Кроме того, взаимно оптически связанные ветви 7 пересекаются электрическими полями, одинаково ориентированными вдоль оси Z кристалла, создаваемыми электрическим сигналом возбуждения, подаваемым на внутренний электрод 11 (внешние электроды 12 заземлены). В соответствии с этим противоположные изменения показателей преломления и в этом случае наводятся во взаимно оптически связанных ветвях 7 из Y-образной волноводной структуры 4, чем обеспечивается возможность передачи энергии из симметричной супермоды в антисимметричную супермоду. В настоящем осуществлении изобретения первое межволноводное расстояние S между взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4 находится в пределах от 1 до 5 мкм.

Из приведенного выше можно сразу же понять, что кристаллическая структура Z-среза подложки 3 и разделение подложки 3 на два противоположно поляризованных участка 20, 21, имеющих противоположные электрооптические коэффициенты, позволяют располагать взаимно оптически связанные ветви 7 под внутренним электродом 11 на месте, не принимаемом во внимание в известных оптических устройствах для сдвига частоты.

Следовательно, взаимно оптически связанные ветви 7 расположены на расстоянии, которое намного меньше, чем в известных оптических устройствах для сдвига частоты. Таким способом достигается более высокая степень κ_связи связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4 и, следовательно, более значительное повышение рабочей частоты.

Наконец, ясно, что многочисленные модификации и варианты могут быть сделаны к настоящему изобретению, все - попадающие в объем изобретения, определенный в прилагаемой формуле изобретения.

В частности, подложка 3 может быть выполнена из другого электрооптического материала Z-среза, такого как танталат лития (LiTaO₃) или титанил-фосфат калия.

1. Оптическое устройство (1) для сдвига частоты, содержащее:электрооптическую подложку (3), имеющую основную поверхность (3а);оптическую волноводную структуру (2), сформированную на указанной подложке (3) и имеющую два волноводных участка (7), которые разнесены на расстояние (S) такое, что гарантируется взаимная оптическая связь между ними; иэлектродную структуру (10), расположенную над указанной основной поверхностью (3а) указанной подложки (3) и имеющую по меньшей мере первый электрод (11),отличающееся тем, что указанная подложка (3) имеет кристаллическую структуру Z-среза с осью Z кристалла, ортогональной к указанной основной поверхности (3а), и содержит два противоположно поляризованных участка (20, 21), имеющих противоположные ориентации указанной оси Z кристалла; и тем, что указанные два волноводных участка (7) расположены под указанным первым электродом (11), каждый на соответствующем одном из указанных двух противоположно поляризованных участков (20, 21).

2. Оптическое устройство для сдвига частоты по п.1, в котором указанная электродная структура (10) способна функционировать для приложения одинаково ориентированных электрических полей к указанным волноводным участкам (7).

3. Оптическое устройство для сдвига частоты по любому из предшествующих пунктов, в котором указанная подложка (3) изготовлена из ниобата лития.

4. Оптическое устройство для сдвига частоты по п.1, в котором указанные противоположно поляризованные участки (20, 21) разделены границей (22), указанный первый электрод (11) расположен над указанной границей (22), и указанные два волноводных участка (7) расположены по противоположным сторонам указанной границы (22).

5. Оптическое устройство для сдвига частоты по п.1, в котором указанная электродная структура (10) содержит два вторых электрода (12), при этом каждый расположен над соответствующим одним из указанных двух противоположно поляризованных участков (20, 21), по противоположным сторонам указанного первого электрода (11) и симметрично относительно него.

6. Оптическое устройство для сдвига частоты по п.5, в котором указанные два вторых электрода (12) подключены к опорному сигналу, а указанный первый электрод (11) подключен ко входу электрического сигнала возбуждения указанного оптического устройства (1) для сдвига частоты.

7. Оптическое устройство для сдвига частоты по п.1, в котором указанная оптическая волноводная структура (2) содержит Y-образную волноводную структуру (4) и повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру (5), связанные последовательно; в котором указанная Y-образная волноводная структура (4) содержит входную ветвь (6), выполненную с возможностью связи со входом оптического сигнала, и указанные волноводные участки (7), ответвляющиеся от указанной входной ветви (6), а указанная повернутая в противоположном направлении Y-образная волноводная структура (5) содержит пару взаимно оптически развязанных ветвей (8), связанных с указанными волноводными участками (7) и сливающихся в выходную ветвь (9), выполненную с возможностью связи с выходом оптического сигнала.

8. Оптическое устройство для сдвига частоты по п.7, в котором одна из указанных взаимно оптически развязанных ветвей (8) из указанной повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры (5) структурирована таким образом, что наводит изменение на π рад фазы оптического сигнала, распространяющегося по ней.

9. Способ изготовления оптического устройства (1) для сдвига частоты, заключающийся в том, что:создают электрооптическую подложку (3), имеющую основную поверхность (3а);формируют оптическую волноводную структуру (2) в указанной подложке (3), при этом указанная волноводная структура (2) имеет два волноводных участка (7), которые разнесены на расстояние (S), такое, что гарантируется взаимная оптическая связь между ними; иформируют электродную структуру (10) над указанной основной поверхностью (3а) указанной подложки (3), при этом указанная электродная структура (10) имеет по меньшей мере первый электрод (11),отличающийся тем, что создание электрооптической подложки содержит:формирование указанной подложки (3) с кристаллической структурой Z-среза, имеющей ось Z кристалла, ортогональную к указанной основной поверхности (3а), и обработку указанной подложки (3) с тем, чтобы образовать два противоположно поляризованных участка (20, 21), имеющих противоположные ориентации указанной оси Z кристалла;и тем, что:формирование указанной оптической волноводной структуры (2) содержит расположение указанных двух волноводных участков (7) под указанным первым электродом (11), при этом каждого - на соответствующем одном из указанных двух противоположно поляризованных участков (20, 21).

10. Способ по п.9, в котором указанную подложку (3) изготавливают из ниобата лития.

11. Способ по любому п.9 или 10, в котором указанные противоположно поляризованные участки (20, 21) разделяют границей (22), и формирование электродной структуры (10) содержит расположение указанного первого электрода (11) над указанной границей, а расположение указанных двух волноводных участков (7) содержит расположение указанных двух волноводных участков (7) по противоположным сторонам указанной границы (22).

12. Способ по п.9, в котором формирование электродной структуры (10) содержит расположение двух вторых электродов (12), каждого - над соответствующим одним из указанных двух противоположно поляризованных участков (20, 21), по противоположным сторонам указанного первого электрода (11) и симметрично относительно него.

13. Способ по п.12, в котором формирование электродной структуры (10) также содержит подключение указанных двух вторых электродов (12) к опорному сигналу и подключение указанного первого электрода (11) ко входу электрического сигнала возбуждения указанного оптического устройства (1) для сдвига частоты.