ES2326031T3 - Metodo y dispositivo para reducir efectos dependientes de la polarizacion en una rejilla de difraccion sintonizable. - Google Patents

Abstract

Un método para reducir efectos dependientes de la polarización en una rejilla de difracción superficial sintonizable que comprende una capa de gel o membrana (103) moduladora de luz fijada a la superficie de un prisma transparente (102) y un sustrato (115) con un conjunto de electrodos manejables individualmente que producen el campo eléctrico modulador que modula dicha capa de gel o membrana, en que dicho sustrato está separado por una distancia apropiada de dicha capa de gel o membrana con una orientación de apartamiento respecto a dicho prisma (102), caracterizado porque la minimización de efectos ópticos causados por estados ortogonales de polarización de luz que incide a través de dicho prisma sobre la capa de gel o membrana se proporciona mediante atenuación o dispersión de la luz incidente en la superficie de interfaz entre dicha capa de gel o membrana (103) y dicho prisma (102), dotando de capacidad de difusión óptica a la superficie del prisma en la superficie de interfaz, o disponiendo una placa de media onda en una cavidad en la superficie de prisma en la superficie de interfaz, o dotando de forma de cuña a la superficie de gel o membrana en la superficie de interfaz, o dotando de capacidad antirreflectante a la superficie del prisma en la superficie de interfaz, o fabricando el gel o membrana o el prisma con un dopante que afecte al respectivo índice de refracción del gel o membrana o prisma.

Description

Método y dispositivo para reducir efectos dependientes de la polarización en una rejilla de difracción sintonizable.

Invención

La presente invención se refiere en general a un método para reducir efectos dependientes de la polarización en una rejilla de difracción sintonizable, a una rejilla de difracción sintonizable, y a un método para utilizar una rejilla de este tipo, y específicamente a métodos de este tipo y a una rejilla que modifica, elimina o aparta reflexiones indeseadas de la luz incidente o de un portador de información que se comunica con dicho componente óptico.

Antecedentes

El alto coste de componentes, en particular para los componentes más avanzados que incluyen muchas subpartes, está frenando el despliegue de sistemas ópticos de comunicación y la introducción de redes puramente ópticas. En consecuencia, es necesario desarrollar componentes rentables que tengan todas las especificaciones necesarias, pero que permitan usar métodos de producción y montaje de bajo coste.

Los componentes dinámicos o sintonizables son particularmente demandados en sistemas de comunicación por fibra óptica y en los módulos que tales sistemas comprenden. Un componente óptico dinámico eficaz, de bajo coste y altamente escalable basado en la modulación superficial de un gel de polímero (o membrana) se documenta en la solicitud de patente noruega nº 2002 4265.

El estado de polarización de la luz en un sistema óptico de comunicación fluctúa en el tiempo debido a efectos ambientales sobre los componentes del sistema (especialmente la fibra óptica) y cambios en la topografía del sistema. El rendimiento tanto de los componentes individuales como de los módulos a partir de los que está hecho el sistema deben ser por lo tanto lo más independientes que sea posible respecto al estado de polarización de la luz incidente, y cambiar el estado de polarización lo menos posible. Estos requisitos aseguran una distancia de transmisión máxima, una velocidad de transmisión máxima de la información que puede ser transferida, y un número máximo de nodos que pueden ser atravesados en una red.

Se han sugerido varios sistemas ópticos para rejillas de difracción sintonizables con aplicaciones a componentes de fibra óptica. Uno de los métodos conocidos son los sistemas MEMS difractivos (D-MEMS, del inglés "Diffractive MicroElectroMechanical Systems", sistemas microelectromecánicos difractivos) de compañías tales como Light Connect y Silicon Light Machines.

Estos dispositivos están basados en una rejilla de difracción móvil que consta de al menos dos piezas separadas. Hay una superficie inferior reflectante estacionaria, y un conjunto móvil de hojas delgadas, la rejilla, que están hechas de silicio grabado por ataque químico. Las hojas pueden ser movidas hacia arriba y hacia abajo por aplicación de un campo eléctrico apropiado. El resultado es una rejilla de difracción, en que el desplazamiento de fase efectivo de la rejilla viene dado por la posición relativa de las hojas y la superficie reflectante situada debajo. Esta disposición puede usarse para hacer atenuadores ópticos variables eficaces, pero el conjunto de hojas debe ser procesado a partir de silicio. Esto es un proceso caro, y el rendimiento del proceso baja dramáticamente cuando el tamaño del sistema se incrementa. Los componentes hechos a partir del sistema D-MEMS son por lo tanto eficaces y de buen rendimiento, pero caros.

El documento US 3.527.522 expone un dispositivo modulador de luz que comprende un prisma de vidrio fijado a una placa de refuerzo de vidrio sin reflexión, un electrodo transparente y un material deformable tal como caucho de silicio. Un sustrato con electrodos manejables está dispuesto en paralelo con la superficie de dicho caucho de silicio deformable con un hueco de aire entre el material y el sustrato.

Tecnología de rejilla de difracción sintonizable

La presente invención pretende tener el rendimiento de las soluciones D-MEMS, pero con la misma facilidad de fabricación encontrada en métodos de producción de LCD (del inglés "Liquid Crystal Display", pantalla de cristal líquido) o LCOS (del inglés "Liquid Crystal On Silicon", cristal líquido sobre silicio). Este objetivo se consigue mediante un método para reducir efectos dependientes de la polarización en una rejilla de difracción superficial sintonizable según la reivindicación 1, mediante una rejilla de difracción superficial sintonizable según la reivindicación 4 y mediante el uso de una rejilla de este tipo según la reivindicación 7. La presente invención está basada en rejillas de difracción superficial sintonizables. Ejemplos de rejillas de este tipo se han expuesto en la literatura y en patentes. Por ejemplo, nuestra realización preferida está basada en las disposiciones descritas en la solicitud de patente noruega nº 2002 4265.

Con el fin de compensar limitaciones causadas por los materiales o procesos implicados en la fabricación y el montaje, proponemos un método y un dispositivo de acuerdo con la presente invención que reducirán los efectos dependientes de la polarización en dispositivos y sistemas de rejilla de difracción sintonizable tal como se ve por ejemplo en la solicitud de patente noruega nº 2002 4265.

El documento GB-A-2265024 expone un montaje modulador de luz espacial que tiene forma de sandwich en capas. Este montaje tiene un hueco entre una capa de un haz de entrada y una capa de un material deformable.

Figuras

Las figuras 1a y 1b ilustran un ejemplo de una realización de doble paso con un único canal de la presente invención.

La figura 2 ilustra un ejemplo de una realización de paso múltiple de la presente invención.

La figura 3 ilustra cómo unas reflexiones pueden producir efectos de interferencia.

La figura 4 ilustra otro ejemplo de realización de la presente invención.

La figura 5 ilustra ejemplos de diseño de prismas de acuerdo con un ejemplo de realización de la presente invención.

La figura 6 ilustra un ejemplo de un diseño de prisma de acuerdo con otro ejemplo de realización de la presente invención.

La presente invención proporciona minimización de la diferencia de efectos en estados ortogonales de polarización en la luz incidente o en el portador de información en sistemas ópticos dinámicos como los ejemplificados en la solicitud de patente noruega nº 2002 4265, en que la capacidad de sintonización óptica se consigue mediante modulación superficial de una película de gel de polímero o membrana.

Configuraciones de doble paso o de paso múltiple que incluyen placa de media onda

En un ejemplo de realización de la presente invención, se incluye la inserción de una placa de media onda a mitad de camino o casi a mitad de camino en el camino óptico a través del modulador basada en polímero o basado en membrana. Una placa de media onda es conocida para una persona con experiencia en la técnica. El efecto de una placa de media onda es rotar polarizaciones ortogonales 90º en el plano transversal a la dirección de propagación. Si los efectos de polarización en el camino de la luz antes y después de la placa de media onda son similares o casi idénticos, las polarizaciones ortogonales sufrirán en total los mismos o similares efectos de polarización (pérdida dependiente de la polarización, dispersión de modos de polarización, etc.). El efecto resultante es que el modulador no tendrá efectos dependientes del estado de polarización de la luz incidente, y tendrá lugar un cambio mínimo en el estado de polarización.

Un ejemplo de una realización de paso único de este tipo puede encontrarse en la figura 1a y la figura 1b. La figura 1a ilustra una vista desde un extremo mientras que la figura 1b ilustra una vista superior de la realización. Hay dos prismas 101 y 102 unidos adyacentemente uno a otro con una placa de media onda 100 entremedias de las superficies de unión de los prismas. En la figura 1b, la superficie de gel (o membrana) está indicada como un círculo 103.

Una placa de media onda 100 puede ser de naturaleza tanto transmisiva como reflectante. Ambos tipos pueden explotarse en ejemplos de realización de la presente invención.

La luz o portador de información puede incidir por lo tanto sobre la superficie de gel (o de membrana) modulada más de dos veces. Un ejemplo de una configuración de paso múltiple con cuatro reflexiones a partir de la superficie de gel (o de membrana) modulada y una placa de media onda 100 incluida se muestra en la figura 2.

En este ejemplo de realización, la distancia entre las difracciones es muy pequeña y se usa la aproximación de Fresnel. Un efecto interesante de las reflexiones múltiples es que la amplitud de gel puede ser n veces menor y aproximadamente el campo eléctrico puede ser n veces más pequeño al tiempo que se mantiene un rango alto de atenuación dinámica.

En este ejemplo de realización, la placa de media onda está dispuesta dentro de una disposición de prismas que comprende 4 diferentes formas de prisma unidas 110, 111, 112 y 113 en que la parte de prisma 112 comprende un tallado para la placa de media onda 100. Las diferentes partes están unidas como se ilustra en la figura 2. Un sustrato 115 con electrodos que producen el campo eléctrico modulador está situado adyacentemente a la parte de gel o de membrana del componente óptico, separado por los elementos distales 114.

Reducción o supresión de efectos de resonancia residuales

Un pequeño efecto de polarización residual puede producirse debido a la incidencia no perpendicular de la luz sobre la interfaz prisma-polímero (o membrana) si el ajuste de índice entre el prisma y el polímero (membrana) no está suficientemente optimizado.

El estado de polarización de la luz incidente puede descomponerse en dos componentes, un componente paralelo (conocido como polarización p) y un componente perpendicular (conocido como polarización s) al plano de incidencia. El plano de incidencia está definido por la dirección del rayo incidente y la perpendicular a la interfaz prisma-gel (membrana). Si la diferencia Dn en el índice de refracción entre el gel (membrana) indicada en la figura 3 donde sólo está incluida una parte de todo el modulador descrito en la solicitud de patente noruega nº 20024265. El grosor de la capa ITO (del inglés "Indium Tin Oxide", óxido de indio-estaño) aplicada entre el prisma y el gel (membrana) en la solicitud de patente anteriormente mencionada es típicamente sólo una fracción de una longitud de onda y tiene por lo tanto menos influencia.

Un libro de texto estándar proporciona las fórmulas necesarias para estudiar los efectos de polarización durante la reflexión y la refracción, véase el capítulo 1.5, páginas 38-53 en la 7ª edición de "Principles of Optics" de Max Born y Emil Wolf, Cambridge University Press.

Si la diferencia \Deltan en índice de refracción entre el gel (membrana) y el prisma es muy pequeña, por ejemplo \Deltan=0,044 como se indica en la figura 3, puede encontrarse que para un ángulo de incidencia de 45º, el coeficiente de reflexión de intensidad R_{s} para luz con polarización s puede ser aproximadamente 10-3 mientras que la reflectividad para luz con polarización p puede ser aproximadamente tres órdenes de magnitud menor.

La luz coherente incidente con polarización s con intensidad I0 experimentará dos reflexiones principales como se indica en la figura 3: Un componente de intensidad I_{1} es reflejado por la interfaz prisma-gel con un coeficiente de reflexión R_{s} del orden de 10^{-3}. Un componente I_{2} mayor es reflejado por el patrón de superficie en el gel establecido por el campo eléctrico producido por los electrodos como se ha descrito anteriormente. El coeficiente de reflexión para la luz reflejada en orden cero es \chi.

Los efectos de interferencia entre I_{1} e I_{2} resultarán en una dependencia de la longitud de onda en la señal de salida de modo similar a lo que se observa en la salida de la bien conocida cavidad Fabry-Perot en la que el denominado rango espectral libre efectivo (FSR, del inglés "Free Spectral Range") está dado por el ángulo de incidencia y el grosor de gel (o de membrana). Las oscilaciones en la respuesta de longitud de onda tendrán una amplitud de 1. Para una atenuación deseada de 10 dB, la amplitud de las variaciones de longitud de onda será de en torno a 1 dB.

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En otros ejemplos de realizaciones de acuerdo con la presente invención se reduce la denominada finura de la cavidad Fabry-Perot. En ejemplos de realizaciones esto se hace:

1.

Realizando de forma no plana la interfaz prisma-gel (membrana) (dispersar la luz reflejada I_{1}).

2.

Realizando la superficie prisma-gel (membrana) de forma ligeramente no paralela a la superficie gel-hueco de aire (o membrana-hueco).

3.

Introduciendo una curvatura en una o ambas superficies.

4.

Introduciendo un revestimiento antirreflectante en la interfaz prisma-polímero (membrana).

5.

Modificando el índice de refracción bien del prisma, bien del polímero (membrana) o bien de ambos.

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1. Interfaz prisma-gel (membrana) parcialmente dispersante

Introduciendo un error \Delta\Phi de frente de onda superficial en la interfaz gel-prisma (membrana), el haz reflejado I_{1} experimentará un error de fase de frente de onda de \Delta\Phi_{1}=2\Delta\Phi y el haz transmitido un error de fase de frente de onda de \Delta\Phi_{2}=2(n_{prisma}-n_{gel})\Delta\Phi. Como la diferencia en índice de refracción entre el gel (membrana) y el prisma es típicamente muy pequeña, por ejemplo de 0,044, el haz reflejado I_{1} sufrirá 20 veces más por el error de fase del frente de onda superficial. Es por lo tanto posible atenuar o dispersar el haz reflejado al tiempo que sólo se perturba ligeramente el haz transmitido de orden cero. Tres de los métodos posibles de acuerdo con la invención son:

1.

Parar el proceso de pulido del prisma antes de que se haya alcanzado calidad óptica.

2.

Grabar por ataque químico la superficie pulida del prisma.

3.

Raspar posteriormente la superficie ya pulida del prisma.

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2 y 3. Superficies no paralelas o curvas de gel (membrana)

La superficie no paralela prisma-gel (membrana) y gel-aire (membrana) o una curvatura de una o ambas superficies de gel (membrana) puede realizarse durante el proceso de fabricación. El efecto es que el componente I_{1} anteriormente mencionado no se reflejará en una dirección paralela a I_{2}, sino que será dispersado hacia fuera como un haz no colimado.

Una solución posible es conformar el gel (o membrana) durante la fabricación de modo que la capa resultante tenga forma de cuña en vez de tener superficies paralelas. Un ejemplo se da en la figura 4. Un rango típico para el ángulo \alpha mostrado en la figura 4 puede ser desde una décima de grado hasta cerca de un grado, dependiendo de las características del sistema óptico a la salida del modulador.

Pueden conseguirse superficies de gel (membranas) no paralelas también mediante una forma modificada de prisma, y uniendo el prisma modificado a la superficie del gel (o membrana) formando con ello la forma no paralela deseada de la superficie de gel. Ejemplos de seis posibles diseños de prisma se muestran en la figura 5. La superficie de gel o membrana puede hacerse fácilmente plana durante el proceso de fabricación, y es preferible introducir o bien una pendiente o bien algún tipo de forma de tipo cóncavo o convexo de la superficie de prisma que se unirá al gel, y conformar con ello la forma deseada. La forma cóncava o convexa o de pendiente puede tener 1 o 2 dimensiones. En una variante 1 del diseño de prisma mostrado en la figura 5, un prisma 154 tiene una superficie 150 conformada con una sección 151 en forma de cuña. Una superficie adyacente al gel o membrana está indicada por la línea de puntos 153. La variante 2 en la figura 5 ilustra que la pendiente de la sección en forma de cuña puede tener cualquier dirección deseada con relación a la superficie de prisma 150. Las variantes 3, 4, 5 y 6 ilustran cómo una sección en forma de cuña puede ser formada por tallado en la superficie 150 del prisma 154.

En otro ejemplo de realización más de la presente invención, se proporcionan tanto una sección en forma de cuña como una placa de media onda en un solo componente óptico.

4. Introducción de un revestimiento antirreflectante en una interfaz prisma-polímero (membrana)

En una realización, una capa o varias capas adicionales (normalmente denominadas revestimiento antirreflectante o revestimiento AR) pueden añadirse entre la superficie del prisma y la capa ITO que está junto a la película de polímero, véase la figura 6. El grosor de la capa ITO es típicamente sólo de una fracción de una longitud de onda y por lo tanto tiene menos influencia. El revestimiento AR está diseñado de forma que su índice de refracción está en el rango entre los índices de refracción del prisma y de la película de polímero (membrana). Esto reducirá la reflectividad efectiva que afecta a la luz con polarización s y polarización p cuando abandona el prisma y entra en la película de polímero. La intensidad del rayo etiquetado I_{1} será reducida en comparación con el caso en el que no existe revestimiento AR.

En otra realización más, el índice de refracción de la capa ITO podría modificarse con el fin de servir como un revestimiento AR o podría usarse en vez de la capa ITO un material que podría actuar tanto en calidad de electrodo de precarga como en calidad de revestimiento AR.

5. Modificación del índice de refracción bien del prisma, bien del polímero (membrana) o bien de ambos

La diferencia en los índices de refracción del prisma y del polímero (membrana) puede reducirse modificando uno o ambos índices. Esto puede hacerse añadiendo dopantes adecuados a los respectivos materiales durante la fabricación.

Claims (7)

1. Un método para reducir efectos dependientes de la polarización en una rejilla de difracción superficial sintonizable que comprende una capa de gel o membrana (103) moduladora de luz fijada a la superficie de un prisma transparente (102) y un sustrato (115) con un conjunto de electrodos manejables individualmente que producen el campo eléctrico modulador que modula dicha capa de gel o membrana, en que dicho sustrato está separado por una distancia apropiada de dicha capa de gel o membrana con una orientación de apartamiento respecto a dicho prisma (102), caracterizado porque la minimización de efectos ópticos causados por estados ortogonales de polarización de luz que incide a través de dicho prisma sobre la capa de gel o membrana se proporciona mediante atenuación o dispersión de la luz incidente en la superficie de interfaz entre dicha capa de gel o membrana (103) y dicho prisma (102), dotando de capacidad de difusión óptica a la superficie del prisma en la superficie de interfaz, o disponiendo una placa de media onda en una cavidad en la superficie de prisma en la superficie de interfaz, o dotando de forma de cuña a la superficie de gel o membrana en la superficie de interfaz, o dotando de capacidad antirreflectante a la superficie del prisma en la superficie de interfaz, o fabricando el gel o membrana o el prisma con un dopante que afecte al respectivo índice de refracción del gel o membrana o prisma.

2. El método según la reivindicación 1, en que la minimización de los efectos ópticos causados por los estados ortogonales de polarización de la luz comprende además realizar dicha superficie de gel o membrana fijada a la superficie de prisma de forma no paralela a dicha superficie de gel o membrana en una forma deseada con el fin de generar una disposición no paralela de dicha superficie de gel o membrana y dicho prisma (102).

3. El método según la reivindicación 2, en que la minimización de efectos ópticos causados por estados ortogonales de polarización de la luz comprende además conformar al menos una parte de dicha superficie de prisma fijada a dicho gel o membrana (103) con una forma deseada con el fin de generar una disposición no paralela de dicha superficie de gel o membrana y dicho prisma (102).

4. Una rejilla de difracción superficial sintonizable que comprende:

una capa de gel o membrana (103) fijada a la superficie de un prisma transparente (102), y

y un sustrato con un conjunto de electrodos (115) manejables individualmente, que producen el campo eléctrico modulador que modula dicha capa de gel o membrana, en que dicho sustrato está separado por una distancia apropiada de dicho gel o membrana con una orientación de apartamiento respecto a dicho prisma, en que se proporcionan medios para la minimización de efectos ópticos causados por estados ortogonales de polarización de luz que incide a través de dicho prisma sobre la capa de gel o membrana mediante atenuación o dispersión de la luz que incide en un punto en el camino de la luz en una superficie de interfaz entre dicha capa de gel o membrana, respectivamente, y dicho prisma (102), en que dichos medios comprenden respectivamente dotar de capacidad de difusión óptica a la superficie del prisma en la superficie de interfaz, o disponer una placa de media onda en una cavidad en la superficie de prisma en la superficie de interfaz, o dotar de forma de cuña a la superficie de gel o membrana en la superficie de interfaz, o dotar de capacidad antirreflectante a la superficie del prisma en la superficie de interfaz, o fabricar el gel o membrana o el prisma con un dopante que afecte al respectivo índice de refracción del gel o membrana o prisma.

5. La rejilla de difracción superficial sintonizable según la reivindicación 4, en que dicha superficie de gel o membrana fijada a la superficie de prisma está dispuesta de forma no paralela a dicha superficie de gel o membrana con una orientación de apartamiento respecto a dicho prisma (102).

6. La rejilla de difracción superficial sintonizable según la reivindicación 4, en que al menos una parte de dicha superficie de prisma fijada a dicha capa de gel o membrana está conformada con una forma deseada con el fin de generar una disposición no paralela de dicha superficie de gel o membrana y dicho prisma (102).

7. Un método para utilizar una rejilla de difracción superficial sintonizable, en que el método comprende:

proporcionar luz incidente a un componente óptico,

dirigir la luz incidente a una rejilla de difracción superficial sintonizable según una cualquiera de las reivindicaciones 4-6.