PL180680B1

PL180680B1 - Akustooptyczne urzadzenie falowodowe do wybierania dlugosci fal oraz sposób jego wytwarzania PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL180680B1
Application number: PL96313730A
Authority: PL
Inventors: Steffen Schmid; Sergio Bosso
Original assignee: Pirelli Cavi Spa
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2001-03-30
Also published as: HUP9600977A3; CA2174070A1; IT1273563B; RU2169936C2; CZ107196A3; CN1100272C; ITMI950771A0; HUP9600977A2; EP0737880A1; CZ288701B6; CA2174070C; JPH08297265A; BR9601553A; AU699027B2; AR001614A1; HU9600977D0; TW295634B; MY112749A; KR960039480A; SK47496A3

Abstract

1. Akustooptyczne urzadzenie falowodowe do wybierania dlugosci fal, zaopatrzone w jedno pod- loze z dwójlomnego i fotoelastycznego materialu, na którym jest uformowany pierwszy stopien obrotu plaszczyzny polaryzacji sygnalu optycznego w pierwszym przedziale dlugosci fal zawierajacy co najmniej jeden falowód optyczny, przez który prze- chodzi sygnal optyczny i uformowany jest drugi stopien obrotu plaszczyzny polaryzacji sygnalu optycznego w drugim przedziale dlugosci fal zawie- rajacy co najmniej jeden falowód optyczny, przez który przechodzi sygnal optyczny, ponadto jest uformowany co najmniej jeden falowód optyczny laczacy pierwszy i drugi stopien, zawierajacy pola ryzator oraz jest uformowany co najmniej jeden falowód optyczny, znajdujacy sie ponizej drugiego stopnia i zawierajacy element czuly na polaryzacje, znamienne tym, ze polaryzator jest zaopatrzony w sprzegacz polaryzacyjny z zanikajaca fala. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest akustooptyczne urządzenie falowodowe do wybierania długości fal oraz sposób jego wytwarzania.

Działanie akustooptycznego urządzenia falowodowego jest oparte na interakcji między sygnałami świetlnymi propagującymi wzdłuż falowodów świetlnych utworzonych na podłożach dwójłomnego i fotoelastycznego materiału oraz fal akustycznych wytwarzanych przez właściwe przetworniki i propagujących po powierzchni podłoży.

Urządzenie takie może być stosowane jako filtr optyczny. Za pomocą sterowania częstotliwością fali akustycznej możliwe jest strojenie charakterystyki częstotliwościowej filtru, co tworzy filtr dostosowany na przykład do rozdzielania kanałów w światłowodowych systemach telekomunikacyjnych ze zwielokrotnianiem falowym WDM, do strojenia długości fali emisji we wnęce lasera lub do odświeżania kształtu impulsów w impulsowych światłowodowych systemach telekomunikacyjnych.

W światłowodowych systemach telekomunikacyjnych z transmisją z podziałem długości fal, oznaczaną zwykle WDM, przesyłanych jest w tym samym łączu, zawierającym zwykle światłowód, wiele kanałów, to znaczy wiele niezależnych od siebie sygnałów transmisji. Odbywa się to dzięki optycznej multipleksji falowej. Przesyłane kanały mogą być zarówno cyfrowe jak i analogowe, zaś odróżniane są od siebie dzięki temu, że każdy z nich jest skojarzony z odpowiednią długością fali. Dla powtórnego rozdziału pojedynczych kanałów wymagane są filtry zdolne do przenoszenia pasma długości fal wokół długości fali pojedynczego kanału, a jednocześnie dostatecznie wąskiego, aby nie przepuszczać przylegających kanałów. W szczególności, przestrajane filtry umożliwiają wybór kanałów, a przez to i zmianę konfiguracji bez dokonywania przełączeń kabli między elementami systemu.

W szczególności, do tych celów są odpowiednie filtry akustooptyczne. Umożliwiają one również jednoczesny wybór wielu kanałów. Jeśli fala akustyczna przenoszona po powierzchni podłoża jest superpozycją fal akustycznych o różnych częstotliwościach, to filtr ma pasmo przenoszenia odpowiadające sumie przedziałów długości fal określonych częstotliwościami fal akustycznych. Przez odpowiedni dobór tych częstotliwości, może być sterowane pasmo przenoszenia filtru tak, aby były przenoszone tylko pożądane długości fal, odpowiadające wybranym kanałom.

Polaryzacyjny filtr akustooptyczny z falowodem planarnym jest opisany w artykule D.A. Smitha i innych, opublikowanym w Applied Physics Letters, vol. 56, nr 3, 15/01/90, na str.209 - 211. Urządzenie przedstawione na fig. LA tej publikacji obejmuje sprzęgacz polaryzacyjny na podłożu LiNbOj, który rozdziela składowe TE i TM sygnału padającego, dwa akustooptyczne przetworniki polaryzacyjne pracujące równolegle na dwóch składowych i sprzęgacz polaryzacyjny ponownie łączący sygnały.

Częstotliwościowa charakterystyka przenoszenia urządzenia ma środkowy pik o szerokości pasma 1,3 nm i wstęgi boczne. Teoretycznie, jak to na przykład jest podane przez H. Hermana i in. w Electronics Letters, vol. 28, nr 11, 21/05/92, na str. 979 - 980, przewiduje się, że w filtrach opisywanego tam typu pierwsza wstęga boczna jest nie mniejsza od teoretycznej granicy -9,4 dB. Filtr opisywany w tym artykule ma pojedynczy akustooptyczny stopień interakcyjny. Filtry tego typu wprowadzają tłumienie dla długości fal leżących poza pasmem przenoszenia, które jest niewystarczające dla wspomnianych celów. Ponadto, w czasie przechodzenia przez filtr, w wyniku interakcji z falą akustyczną, w dwóch składowych polaryzacyjnych zachodzą wahania długości fali, różne dla każdej z nich.

Można wykonać filtry akustooptyczne wyposażone w drugi stopień filtracji na tym samym podłożu dwójłomnego i fotoelastycznego materiału. Urządzenia dwustopniowe wyka

180 680 zująna właściwej im charakterystyce częstotliwościowej, że tłumienie poza pasmem przenoszenia jest większe niż dla filtrów jednostopniowych i mają ograniczone wstęgi boczne. Ponadto, w urządzeniach dwustopniowych, drugi stopień może kompensować wahania częstotliwości sygnału optycznego wnoszone przez pierwszy stopień o wartość odpowiadającą częstotliwości fali akustycznej, tak aby przywrócić początkową częstotliwość.

Zintegrowany, dwustopniowy, oparty na falowodzie planarnym filtr akustooptyczny jest przedstawiony w opisie patentowym nr US 5 381 426. Jest on zastosowany jako sterowany filtr służący do wybierania długości fali we wnęce lasera z aktywną synchronizacja modową.

W opisie patentowym nr US 5 002 349 przedstawiono zintegrowane oparte na falowodzie planarnym urządzenie akustooptyczne na podłożu LiNbO₃. W jednej jego wersji, urządzenie to jest wykonane przez zestrojenie na tym samym podłożu dwóch niezależnych polaryzacyjnie filtrów akustooptycznych, z których każdy obejmuje dwa falowodowe rozdzielacze polaryzacyjne dla rozdzielenia i połączenia odpowiednio dwóch składowych TE i TM, przed i po opuszczeniu akustooptycznych stopni interakcyjnych. W celu nastrojenia właściwości polaryzacyjne - rozdzielających, każdy z rozdzielaczy jest wyposażony w elektrody. Za pomocą tych elektrod przeprowadzane jest niezależne strojenie każdego z rozdzielaczy polaryzacyjnych.

W badaniach stwierdzono, że tłumienie, któremu były poddawane sygnały optyczne podczas przechodzenia przez takie urządzenie jest około dwukrotnie wyższe od występującego w urządzeniu jednostopniowym, z powodu czterokrotnego przechodzenia przez rozdzielacze polaryzacyjne.

Stwierdzono również, że urządzenie uległo komplikacji z powodu obecności elektrod kalibracyjnych, ponieważ stają się niezbędne układy do elektrycznego strojenia i sterowania.

Ponadto, przy braku elektrod, właściwości transmisyjne każdego rozdzielacza zależą nie tylko od polaryzacji, lecz w pewnym stopniu również od długości fali, jako skutek określonej tolerancji wykonania. Dla każdego rozdzielacza jest nieco inny przedział długości fal odpowiadający małemu tłumieniu przenoszonego spolaryzowanego składnika. Przez szeregowe umieszczenie wielu rozdzielaczy, wypadkowe pasmo niskiego tłumienia zmniejsza się do przecięcia się przedziałów o niskim tłumieniu dla każdego pojedynczego rozdzielacza. Z powodu obecności w szeregu czterech rozdzielaczy polaryzacyjnych urządzenie ma szczególnie duże tłumienie lub co najmniej ograniczony przedział strojenia w porównaniu z wymaganiami wymienionych wcześniej zastosowań.

Ponadto, całkowita długość opisywanego urządzenia jest co najmniej dwukrotnie większa od długości urządzenia jednostopniowego, przez co rozmiary stają się krytyczne w porównaniu z ograniczonymi rozmiarami najczęściej dostępnych struktur podłoża LiNbO₃.

W artykule pt. Parallel injection acousto-optical tunable filier opublikowanym w IBM Technical Disclosure Bulletin, vol. 35, nr 3, str.247-248 wykazano, że szybkość rekonfiguracji urządzenia akustooptycznego jest ograniczona głównie przez prędkość światła w materiale. W artykule tym przedstawiono schemat stosujący równoległą injekcję fali akustycznej dla przyspieszenia procesu wypełniania całego filtra. Artykuł proponuje podział akustooptycznego filtra strojonego (AOTF) na wiele sekcji, przy czym każda sekcja ma swój przetwornik radiowy (RF) i sygnały radiowe (RF) są wstrzykiwane do wszystkich przetworników równocześnie, przy czym zachowana jest koherentna ciągłość fazy pomiędzy przyległymi przetwornikami. Akustyczny absorber umieszczony jest na końcu każdej sekcji, aby uniknąć interferencji wzajemnej fali akustycznej różnych sekcji, dla minimalizowania nieciągłości odbicia i umożliwienia szybkiego zubożenia fali radiowej (RF) podczas każdej operacji strojenia.

W artykule H. Hermanna et al. opublikowanym w Electronics Letters, 26.3.1992, vol.28 no.7, str.642-644 przedstawiono dwustopniowy akustooptyczny filtr LiNbO₃ z falowodem akustycznym dla powierzchniowej fali akustycznej. Dwa rodzaje filtra zostały zbadane, które różnią się odwrotnym układem polaryzacji, co w rezultacie daje urządzenie przepuszczające składową TE z akustyczną konwersją TE-TM-TE oraz urządzenie przepuszczające składową TM z konwersją TM-TE-TM. Optyczne i akustyczne falowody zostały utworzone przez dyfuzję do wnętrza Ti cięciu X, propagacji Y na podłożu LiNbOs. Zastosowano polaryzatory przepuszczające składową TE o szerokości 20 μη, przy czym przekładki warstwowe 25 nm

180 680

Υ2Ο3 i 50 nm Al o długości Imm zostały próżniowo naparowane na powierzchnię falowodu. Jako polaryzatory przepuszczające składową TM, utworzono obszary wymiany protonów, przyległe z obu stron falowodów optycznych.

Zintegrowany dwustopniowy oparty na falowodzie planarnym, niepolaryzacyjny filtr akustooptyczny, jest też opisany w artykule F. Tiana et al., opublikowanym w Journal of Lightwave Technology, vol.l2, nr 7, z lipca 1994, na str. 1192 - 1197. Obejmuje on dwa pracujące równolegle filtry jednopolaryzacyjne na podłożu LiNbO₃ z polaryzacjami prostopadłymi do siebie i dwa sprzęgacze/rozdzielacze służące do rozdzielenia i połączenia składowych sygnału optycznego odpowiadających dwóm prostopadłym polaryzacjom.

Filtry jednopolaryzacyjne obejmują odpowiednio polaryzatory przepuszczające składowe TE i TM.

W szczególności, polaryzator przepuszczający składową TM zawiera falowód, wzdłuż którego w dwóch obszarach o długości 1,5 mm, przylegających z dwóch stron do falowodu, specjalnie wywołany współczynnik załamania jest dużo większy niż w materiale tworzącym podłoże. To powoduje, że składowa o polaryzacji TE nie jest dalej przenoszona, będąc wyłączona z podłoża, podczas gdy składowa o polaryzacji TM może przejść tę strukturę.

Wzrost współczynnika załamania uzyskuje się za pomocą technologii wymiany protonów polegającej na wystawieniu wskazanych obszarów na działanie roztworu kwasu przez określony czas i przy odpowiedniej temperaturze, tak aby uzyskać zastąpienie części jonów Li+ w podłożu jonami H+ i, wariantowo, na przeprowadzeniu kolejnego kroku - odprężania cieplnego.

W przypadku omawianym we wspomnianym artykule wymiana protonów była wykonana w roztworze kwasu benzoesowego w temperaturze 250°C, w czasie 15,5 godzin, po czym nastąpiło odprężanie cieplne przez 4 godziny w temperaturze 330°C.

Doświadczenia wykazały, że wytwarzanie polaryzatorów powyższego typu technologią wymiany protonów jest bardzo trudne, w szczególności z powodu dokładności wymaganej w czasie pozycjonowania masek fotolitograficznych i z powodu ograniczonych, dopuszczalnych zakresów dla parametrów sterujących procesem wymiany protonów. Ponadto, zauważono niestabilność czasową charakterystyk widmowych polaryzatora.

Poza tym, wytwarzanie zarówno polaryzatorów przenoszących składowe TM jak i TE wymaga specjalnych kroków procesu technologicznego, odmiennych dla każdego typu polaryzatora i różnych od wymagań stawianych przy wytwarzaniu innych elementów urządzenia. Czyni to proces produkcyjny urządzenia długim i skomplikowanym.

Akustooptyczne urządzenie falowodowe do wybierania długości fal, zaopatrzone w jedno podłoże z dwójłomnego i fotoelastycznego materiału, na którym jest uformowany pierwszy stopień obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego w pierwszym przedziale długości fal zawierający co najmniej jeden falowód optyczny, przez który przechodzi sygnał optyczny i uformowany jest drugi stopień obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego w drugim przedziale długości fal zawierający co najmniej jeden falowód optyczny, przez który przechodzi sygnał optyczny, ponadto jest uformowany co najmniej jeden falowód optyczny łączący pierwszy i drugi stopień, zawierający polaryzator oraz jest uformowany co najmniej jeden falowód optyczny, znajdujący się poniżej drugiego stopnia i zawierający element czuły na polaryzację, według wynalazku charakteryzuje się tym, że polaryzator jest zaopatrzony w sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą.

Korzystnym jest, że co najmniej jeden z dwóch stopni obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego zawiera środki generujące powierzchniową falę akustyczną. Podłoże obejmuje falowód akustyczny zawierający co najmniej jeden odcinek jednego z dwóch falowodów optycznych, przez które przechodzi sygnał optyczny, pierwszego i drugiego stopnia obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego.

Urządzenie obejmuje korzystnie pierwszy falowód akustyczny rozmieszczony nad odcinkiem podłoża zawierającym falowód optyczny pierwszego stopnia obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego oraz drugi falowód akustyczny rozmieszczony nad odcinkiem podłoża zawierającym falowód optyczny drugiego stopnia obrotu płaszczyzny polaryzacji, sygnału optycznego.

180 680

Korzystnym jest, że środki generujące powierzchniową falę akustyczną dla jej jednokierunkowej propagacji w falowodzie akustycznym, są usytuowane w co najmniej jednym z falowodów akustycznych, w pobliżu końca następnego z nich. Środki generujące powierzchniową falę akustyczną są zaopatrzone w zespół elektrod położonych prostopadle względem falowodu akustycznego.

Korzystnym jest, że urządzenie zawiera dodatkowo pochłaniacz akustyczny umieszczony na końcu falowodu akustycznego.

Urządzenie korzystnie zawiera dodatkowo pochłaniacz akustyczny umieszczony na przeciwnym końcu falowodu akustycznego względem tego końca, na którym umieszczone są środki generujące powierzchniową falę akustyczną.

Korzystnym jest, że środki generujące powierzchniowe fale akustyczne zawierają dwa zespoły elektrod umieszczonych w określonej odległości od siebie i zasilone pierwszym przemiennym napięciowym sygnałem elektrycznym i drugim przemiemiennym napięciowym sygnałem elektrycznym otrzymanym przez przesunięcie fazy pierwszego sygnału elektrycznego o 90°, dla generacji jednokierunkowej fali akustycznej.

Korzystnym jest, że urządzenie jest zaopatrzone w dwa równoległe falowody optyczne w każdym z dwóch stopni, pierwszym i drugim, obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego i dwa optyczne falowody łączące, między pierwszym i drugim stopniem, przy czym każdy z optycznych falowodów łączących zawiera jeden polaryzator dostosowany do przenoszenia jednej z dwóch spolaryzowanych, wzajemnie prostopadłych składowych, a co najmniej jeden z polaryzatorów zawiera sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą. Jeden z polaryzatorów jest polaryzatorem przenoszącym składową TE i obejmuje warstwę metalu przykrywającą odpowiedni optyczny falowód łączący, znajdujący się między pierwszym i drugim stopniem obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego, oraz obejmuje położoną między nimi warstwę buforową.

Korzystnym jest, że każdy z polaryzatorów obejmuje sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą. Oba sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą są dla określonych polaryzacji przepuszczanych sprzęgaczami transmisji wzdłużnej. Jeden ze sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą jest sprzęgaczem transmisji wzdłużnej dla określonej polaryzacji przenoszonej, a drugi ze sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą jest sprzęgaczem transmisji skrośnej dla określonej polaryzacji przenoszonej. Drugi sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą jest dołączony do optycznego falowodu łączącego za pomocą zakrzywionego odcinka falowodu.

Korzystnym jest, że drugi sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą zawiera prosty odcinek środkowy tworzący niezerowy kąt z falowodem łączącym.

Korzystnym jest, że co najmniej jeden z polaryzatorów obejmuje dwa sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą. Każdy z polaryzatorów obejmuje dwa sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą.

Korzystnym jest, że dwójłomnym i fotoelastycznym materiałem jest LiNbO3. Falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą są wykonane za pomocą maskowania fotolitograficznego, osadzania warstwy metalu, a następne dyfuzji metalu w podłożu. Osadzona warstwa metalu jest korzystnie utworzona z tytanu.

Sposób wytwarzania akustooptycznego urządzenia falowodowego do wybierania długości fal, w którym formuje się co najmniej jeden falowód akustyczny na podłożu wykonanym z dwójłomnego i fotoelastycznego materiału za pomocą dyfńzji pierwszego metalu w głąb podłoża, formuje się w podłożu zarówno pierwszy i drugi sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą, za pomocą fotolitograficznego osadzania a następnie dyfuzji drugiego metalu w podłożu, jak i co najmniej jeden falowód optyczny do połączenia sprzęgaczy polaryzacyjnych, przy czym falowód optyczny jest co najmniej częściowo zawarty w falowodzie akustycznym, formuje się polaryzator wzdłuż optycznego falowodu łączącego, a ponadto formuje się, wewnątrz co najmniej jednego z falowodów akustycznych, przetwornik elektroakustyczny obejmujący zespół elektrod, za pomocą osadzania fotolitograficznego trzeciego metalu na podłożu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że formowanie polaryzatora przeprowa8

180 680 dza się w etapie formowania pierwszego i drugiego sprzęgacza polaryzacyjnego i optycznego falowodu łączącego, przy czym formuje się trzeci sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą.

Korzystnym jest, że pierwszy, drugi i trzeci sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą są identyczne względem siebie. W podłożu formuje się, za pomocą osadzania fotolitograficznego, a następnie dyfuzji drugiego metalu w tym podłożu, pierwszy i drugi optyczny falowód łączący, pomiędzy pierwszym i drugim sprzęgaczem polaryzacyjnym, przy czym falowody optyczne są co najmniej częściowo zawarte w falowodzie akustycznym, przy czym formuje się też polaryzator wzdłuż każdego optycznego falowodu łączącego. Formowanie polary zatorów przeprowadza się w etapie formowania pierwszego i drugiego sprzęgacza polaryzacyjnego oraz optycznych falowodów łączących, przy czym formuje się trzeci i czwarty sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą odpowiednio w pierwszym i drugim optycznym falowodzie łączącym. Pierwszy, drugi, trzeci i czwarty sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą są identyczne względem siebie.

Akustooptyczne urządzenie światłowodowe według wynalazku, do wybierania długości fal, cechuje się prostotą wytwarzanią mniejszymi rozmiarami, wprowadzeniem szerokiego przedziału strojenia i wykazuje stabilność cech widmowych w czasie. Sposób wytwarzania akustooptycznego urządzenia falowodowego do wybierania długości fal jest również prosty i niezawodny.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. ΙΑ, IB przedstawiają schematy filtrów akustooptycznych według znanego stanu techniki, fig. 2A, 2B - schematy filtrów akustooptycznych według znanego stanu techniki, fig. 3A, 3B - dwa wykresy ilustrujące wpływ temperatury na charakterystykę widmową połaryzatorów składowej TM według znanego stanu techniki, fig. 4 przedstawia schemat filtru aikustooptycznego według wynalazku, fig. 5 - schemat sprzęgacza polaryzacyjnego zanikającej fali stosowanego w rozwiązaniu według wynalazku, fig. 6A, 6B, 6C przedstawiają wykresy pokazujące współczynniki podziału sprzęgaczy polaryzacyjnych zanikającej fali w falowodzie, w funkcji długości odcinka falowodu podstawowego (A) lub długości fali (B, C), fig. 7 przedstawia schemat jednokierunkowego przetwornika elektroakustycznego, fig. 8 - schemat filtru akustooptycznego według wariantowego przykładu wykonania, fig. 9 - schemat niepolaryzacyjnego filtru akustooptycznego według wynalazku, fig. 10 - schemat falowodowego polaryzatora przepuszczającego składową TE, zastosowanego w urządzeniu z fig.9, fig. 11 schemat niepolaryzacyjnego filtru akustooptycznego, fig. 12 - schemat niepolaryzacyjnego filtru akustooptycznego według innego przykładu wykonania, a fig. 13 przedstawia schemat niepolaryzacyjnego filtru akustooptycznego dla kolejnego wariantowego przykładu wykonania.

Zintegrowany z falowodem znany filtr akustooptyczny jest wyjaśniony z powołaniem się na fig. IB. Filtr 16 składa się z podłoża 18 używającego kryształów LiNbOs, uciętych pod kątem prostym do osi x. Przez dyfuzję tytanu, dzięki czemu współczynnik załamania niobianu litu w podłożu lokalnie rośnie, przez co ograniczone jest rozprzestrzenianie się sygnału optycznego w określonym kierunku, tworzy się falowód kanału optycznego 19 dla pojedynczego modu w interesującym paśmie długości fal (1530 < λ < 1560) o kierunku propagacji y.

Wzdłuż falowodu optycznego 19 znajduje się para przetworników akustooptycznych 20, składających się z metalowych płytek, które mają wiele elektrod grzebieniowych ustawionych przemiennie względem siebie i nałożonych na falowód. Dzięki wykorzystaniu efektu piezoelektrycznego wywołanego przykładanym elektrycznym sygnałem wzbudzającym, są one przystosowane do generacji fali akustycznej przemieszczającej się w krysztale.

Po bokach falowodu optycznego 19 określa się falowód akustyczny 22, ograniczony dwoma obszarami bocznymi 23, w których na podłożu z niobianu litu został w dyfundowany tytan, w dla zwiększenia szybkości propagacji fali akustycznej w bocznych obszarach w porównaniu do obszaru środkowego 22, przez co odbywa się prowadzenie fali akustycznej w obszarze środkowym.

Umieszczone zostały dwa polary zatory 24 przepuszczające składową TE, przed elektrodami 21 i przy końcu odcinka falowodu 19 - za elektrodami 21, podczas gdy polaryzator 25 przepuszczający składową TM znajduje się w położeniu środkowym między dwoma polaryzatorami 24.

180 680

Polaryzatory 24, przepuszczające składową TE są utworzone z warstwy dielektryka wykonanej na przykład z krzemu, używanego na falowód optyczny 19. Warstwa ta, o określonej grubości, jest przykrywana warstwą metalową. Polaryzatory takie umożliwiają tylko przejście składowej TE sygnału świetlnego spolaryzowanej w płaszczyźnie powierzchni podłoża krystalicznego.

Polaryzator 25 przenoszący składową TM jest z kolei utworzony z dwóch obszarów, w których przeprowadzono wymianę protonową i wykonanych po bokach falowodu w odległości powyżej kilku milimetrów. Ten polaryzator umożliwia tylko przejście składowej TM sygnału świetlnego spolaryzowanej w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny kryształu podłoża.

W określonej odległości od polaryzatora 25 przepuszczającego składową TM, po przeciwnej stronie niż elektrody 21, znajduje się pochłaniacz akustyczny 26. Jest on utworzony z warstwy materiału nie przewodzącego dźwięku, umieszczonego na powierzchni krystalicznej i dostosowanej do pochłaniania fali akustycznej, przez co zapobiega się dalszemu jej oddziaływaniu na falę świetlną.

Generator częstotliwości radiowych RF, sterujący filtrem akustooptycznym, ma przestrajaną częstotliwość od 170 MHz do 180 MHz, dla uzyskania możliwości wybierania długości fal z pasma przenoszenia o pożądanym zakresie (1530 < λ < 1560).

Działanie tego urządzenia jest oparte na konwersji między składowymi TE i TM spolaryzowanych sygnałów optycznych przemieszczających się wzdłuż falowodu optycznego i charakteryzujących się długością fali z odpowiedniego pasma. Konwersja ta jest przeprowadzana za pośrednictwem interakcji sygnałów optycznych z sygnałami akustycznymi przemieszczającymi się wzdłuż falowodu akustycznego 22 w tym samym kierunku co promieniowanie świetlne. Tylko składowa TE sygnałów optycznych wchodzących do polaryzatora 24 umieszczonego przed falowodem 19 przenosi się do tego falowodu. Wzdłuż pierwszego prowadzącego odcinka, przed polary zatorem 25, długości fal zawarte w paśmie określonym przez parametry fali akustycznej są przetwarzane z polaryzacji TE na polaryzację TM. Przeciwnie, długości fal znajdujące się poza tym pasmem, nie są przetwarzane i zachowują swoją polaryzację w płaszczyźnie powierzchni podłoża. Ostatnie z wymienionych długości fal są zatem zatrzymywane przez polaryzator 25, który przenosi składowe TM sygnałów charakteryzujących się długością fal wewnątrz pasma przenoszenia, i których polaryzacja została przetworzona w procesie interakcji z falą akustyczną. Odcinek falowodu znajdujący się za polaryzatorem 25 działa jako drugi stopień filtru, gdzie w falowodzie 22 przenosi się tył fali akustycznej i zachodzi interakcja z sygnałami optycznymi TM. Drugi stopień działa tak samo jak pierwszy, lecz z odwrotną zmianą polaryzacji. Dla sygnałów o długościach fal wewnątrz pasma przenoszenia odbywa się przemiana polaryzacji z TM na TE i transmisja przez polaryzator 24 znajdujący się za falowodem 19. Sygnały znajdujące się poza pasmem przenoszenia są zatrzymywane przez polaryzator 24.

Dwustopniowy, zintegrowany z falowodem, niepolaryzacyjny filtr akustooptyczny jest znany.

Jak pokazano na fig. 2B, za pomocą falowodowego sprzęgacza polaryzacyjnego uformowanego w podłożu, sygnał wchodzący do urządzenia jest dzielony na dwie składowe TE i TM. Dwa wyjścia ze sprzęgacza polaryzacyjnego są połączone do dwustopniowych filtrów, z których każdy zawiera polaryzator, odpowiednio składowej TM i TE, między dwoma stopniami. Na podłożu, dwa filtry są umieszczone obok siebie, wzdłuż tego samego falowodu akustycznego, gdzie fala akustyczna wygenerowana przez odpowiedni przetwornik przemieszcza się w tym samym kierunku co sygnały optyczne. Wyjścia dwóch dwustopniowych filtrów są w końcu łączone przez sprzęgacz polaryzacyjny. Na końcu falowodu akustycznego jest umieszczony pochłaniacz akustyczny w celu stłumienia pozostałości fali akustycznej.

Korzystnie, polaryzator przenoszący składową TM jest wykonany technologią wymiany protonów w dwóch obszarach o długości około 1,5 mm przylegających z dwóch stron do falowodu optycznego. Wymiana protonów wywołuje duży wzrost współczynnika załamania, co powoduje, że składowa TE nie jest dalej prowadzona i jest rozpraszana w podłożu. Przeciwnie, składowa TM przechodzi przez polaryzator z niewielkimi stratami.

180 680

Doświadczenia wykazały, że wytwarzanie tego typu polaryzatorów technologią wymiany protonów czyni cały proces produkcyjny urządzeń akustooptycznych szczególnie trudnym.

Wykonano na podłożu LiNbOj próbki polaryzatorów przenoszących składową TM. W podłożu tym za pomocą dyfuzji tytanu przez 9 godzin w temperaturze 1030°C zostały uformowane jednomodowe falowody optyczne. Polaryzatory zostały wykonane przez maskowanie, a następnie wymianę protonów w nierozcieńczonym kwasie benzoesowym w okresie czasu zmieniającym się od 2 do 7 godzin i przy różnych temperaturach w zakresie od 230°C do 240°C. Odległość między dwoma obszarami umieszczonymi po dwóch stronach falowodu optycznego i poddawanymi wymianie protonów, wynosiła od 12 μη do 13,5 μη.

Wartość współczynnika wygaszania, a więc stosunku mocy wyjściowej urządzenia dla składowej tłumionej, w tym przypadku - składowej TE, do całkowitej mocy wyjściowej, w otrzymanych próbkach była zawarta między -25,3 dB a -3,9 dB. Przeciwnie, wartości tłumienia dla przenoszonej polaryzacji, w tym przypadku - składowej TM, mieściły się w zakresie od bardzo małych wartości do 1,1 dB.

Część próbek została poddana następnie odprężaniu termicznemu przy temperaturze 320°C w czasie od 15 do 90 minut. Uzyskuje się przez to w ogólności zmniejszenie współczynnika wygaszania do wartości od -25 dB do -20 dB, przy jednoczesnym wzroście tłumienia dla składowej TM do wartości rzędu 2 dB.

W dwustopniowym filtrze akustooptycznym wartość współczynnika wygaszania dla polaryzatorów umieszczonych między pierwszym i drugim stopniem określa wartość resztkowego szumu tła dla całego urządzenia, gdzie przez resztkowy szum tła rozumie się maksymalne tłumienie jakiemu podlegają sygnały o długości fali leżącej poza pasmem transmisji przy przechodzeniu przez urządzenie.

Polaryzator przeznaczony do użycia w dwustopniowym filtrze akustooptycznym powinien jednocześnie mieć współczynnik wygaszania niższy od -20 dB i tłumienie dla przenoszonego modu niższe od 0,5 dB.

W trakcie badań stwierdzono, że ustawienie maski fotolitograficznej na podłożu, używanej w celu ograniczenia obszaru poddawanego procesowi wymiany protonów, wymaga stopnia dokładności znacznie wyższego niż ten, który jest wymagany dla masek fotolitograficznych stosowanych podczas innych etapów technologicznych dla urządzeń akustooptycznych, takich jak ograniczanie obszaru dyfuzji tytanu podczas 'wytwarzania falowodów, lub zespołu elektrod w polaryzatorach przenoszących składową TE. Stwierdzono również, że wszystkie parametry sterujące procesem wymiany protonów i mogącym nastąpić procesem odprężania termicznego też są bardzo krytyczne. Bardzo małe zmiany, nawet pojedynczego parametru, mogą powodować, że polaryzatory nie spełniają pożądanych standardów i są przez to odrzucane.

Ponadto, niektóre z wytwarzanych polaryzatorów przenoszących składowe TM były przez kilka godzin poddane działaniu temperatury wyższej niż 80°C, wykazując istotne zmiany charakterystyki widmowej w czasie. Na fig.3A pokazano, uzyskany dla jednego z polaryzatorów, wykres ilustrujący współczynnik wygaszania mierzony przed (a) i po (b) wystawieniu go na działanie temperatury 100°C przez 20 godzin. Można stwierdzić przesunięcie charakterystyki widmowej o około 25 nm w kierunku wyższych długości fal i zmianę współczynnika wygaszania o kilkanaście dB dla każdej długości fali. Zmiany te mogły być obserwowane dla kilkunastu różnych polaryzatorów poddanych działaniu tych samych warunków termicznych. Przesunięcia charakterystyk widmowych wynosiły wtedy od 20 do 30 nm.

Dla polaryzatorów przenoszących składową, TM, wykonanych metodą wymiany protonów również miały miejsce wahania charakterystyk widmowych. Zachodzi to dla niższych temperatur, dłuższego czasu poddawania działaniu czynników zewnętrznych i składa się na krytyczne warunki wykorzystania tych składowych.

Ponadto, oprócz stałych wahań charakterystyki widmowej wynikających z oddziaływania wysokich temperatur, polaryzatory składowych TM wykonane metodą wymiany protonów, wykazują też odwrotną zależność charakterystyki widmowej od temperatury. Na przykład fig.3B, podająca charakterystyki widmowe współczynnika wygaszania dla polaryzatora w temperaturze 10°C i 30°C pokazuje wahania sięgające 10 dB dla określonych długości fal.

180 680

W przeprowadzonych badaniach również stwierdzono, że proces wytwarzania filtru akustooptycznego opisany w artykule F. Tiana i in. jest długi i trudny z powodu konieczności wykonania określonych etapów technologicznych dla każdego z polaryzatorów, to znaczy dla polaryzatorów przenoszących składowe TM i TE, używanych w urządzeniu, etapów dodatkowych - oprócz etapów wymaganych do wytworzenia falowodów optycznych, sprzęgacza i sprzęgacza polaryzacyjnego, falowodu akustycznego i przetworników.

Obecnie zostanie opisane, z powołaniem się na fig. 4, dwustopniowe, zintegrowane z falowodem urządzenie akustooptyczne według wynalazku. Na podłożu 30 uformowanych jest szereg elementów. Falowód kanału optycznego 31 ma jeden koniec na krawędzi podłoża i jest przystosowany do odbioru sygnału optycznego wchodzącego do urządzenia, na przykład przez odpowiednio połączone włókno optyczne. Drugi koniec falowodu 31 jest połączony z końcówką 1 sprzęgacza polaryzacyjnego 32. Falowód optyczny 28 ma jeden koniec na krawędzi podłoża, drugi zaś jest połączony z końcówką 4 sprzęgacza 32. Końcówka 3 sprzęgacza 32 jest połączona z falowodem 35, połączonym z wejściem 4 sprzęgacza polaryzacyjnego 40. Końcówka 3 sprzęgacza 40 jest dołączona do falowodu 36 połączonego z wejściem 4 sprzęgacza 37. Końcówka 2 wspomnianego sprzęgacza jest dołączona do falowodu 38, kończącego się na krawędzi podłoża i umożliwiającego wyjście sygnału optycznego, na przykład przez połączenie z włóknem optycznym. Końcówka 3 sprzęgacza 37 jest połączona z falowodem 29 kończącym się na krawędzi podłoża.

Na podłożu 30 są również uformowane: falowód akustyczny 41 rozciągający się na odcinku podłoża obejmującym falowody 35, 36 ograniczone dwoma paskami 42 i 43 położonymi symetrycznie względem falowodów optycznych 35, 36, w których prędkość fali akustycznej jest wyższa niż w falowodzie 41; przetwornik elektroakustyczny 44 przystosowany do generowania płaskiej fali akustycznej wewnątrz falowodu akustycznego, umieszczony wzdłuż falowodu akustycznego 41, w pobliżu końca falowodu 35 połączonego ze sprzęgaczem 32; akustyczne urządzenie pochłaniające 45 przystosowane do pochłaniania resztkowej fali akustycznej, umieszczone wzdłuż falowodu akustycznego 41, w pobliżu końca falowodu 36 połączonego ze sprzęgaczem 37; akustyczne urządzenie pochłaniające 46 przystosowane do pochłaniania fali akustycznej generowanej przez przetwornik 44 i przemieszczającej się w kierunku przeciwnym do kierunku fali optycznej, które jest umieszczone wzdłuż falowodu akustycznego 41, w pobliżu końca falowodu 35 połączonego ze sprzęgaczem 32.

W urządzeniu akustooptycznym według wynalazku, wybrane zostały parametry odpowiadające pracy w temperaturze pokojowej z pasmem długości fal co najmniej 100 nm położonym wokół 1550 nm, szczególnie interesującym dla łączności optycznej. Przez wybór właściwych wartości parametrów, odnoszących się w szczególności do falowodów optycznych, sprzęgaczy polaryzacyjnych i fal akustycznych przenoszonych w falowodzie akustycznym, znawca tej dziedziny techniki będzie w stanie dostosować urządzenie do innych temperatur lub innych pasm długości fal, na przykład do pasma położonego wokół 1300 nm, które również jest interesujące dla łączności optycznej.

Podłoże 30 jest utworzone z kryształu LiNbOj uciętego pod kątem prostym do osi x. Falowody 31, 35, 36, 38 i falowody pięciosekcyjnych sprzęgaczy polaryzacyjnych 32, 40, 37 są zorientowane wzdłuż osi y kryształu.

Zamiast LiNbO₃, może być użyty na podłoże inny materiał dwójłomny i fotoelastyczny. Materiałami tymi mogą być na przykład LiTaO₃, TeO2, CaMoO4.

Wzrost prędkości fali akustycznej w paskach ograniczających falowody akustyczne może być uzyskany za pomocą dyfiizji do podłoża odpowiedniej substancji.

W urządzeniu według wynalazku, falowód akustyczny 41, o całkowitej długości około 30 mm był wykonany przez utworzenie maski fotolitograficznej ograniczającej paski 42, umieszczone w podłożu w odległości 110 pm od siebie, następnie osadzanie w tej ograniczonej powierzchni warstwy tytanu o grubości 160 pm, po czym dyfuzję tytanu do podłoża w ciągu 31 godzin w piecu o temperaturze 1060°C. W wyniku dyfuzji, prędkość fali akustycznej wzrasta o około 0,3%, tak że dzięki działaniu obszarów 42, 43 fale akustyczne są ograniczone do obszaru wzdłuż falowodu 41. Jest on używany jako jednomodowy falowód akustyczny. Współczynnik tłumienia dla fal akustycznych wynosi około 0,1 dB/cm.

180 680

Falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne są korzystnie wykonane przez dyfuzję w podłożu z substancji, dla której można zwiększyć współczynnik załamania.

W urządzeniu według wynalazku, falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne otrzymano z użyciem masek fotolitograficznych, osadzania warstwy tytanu o grubości 105 pm, a następnie dyfiizję w ciągu 9 godzin w temperaturze 1030°C.

Maska fotolitograficzna na falowodach optycznych miała szczelinę o szerokości około 7,0 pm.

Próby transmisji na większej liczbie prostych falowodów tego typu wykazały, że wartości tłumienia wynoszą około 0,03 dB/cm dla składowej TM i 0,07 dB/cm dla składowej TE.

Sprzęgacze polaryzacyjne 32, 37, 40 są sprzęgaczami z zanikającą falą na podłożu planarnym. Przez sprzęgacz z zanikającą falą rozumie się urządzenie składające się z dwóch falowodów optycznych, które na pewnym odcinku umieszczone są blisko siebie w takiej odległości, że każdy z tych falowodów znajduje się w zasięgu zanikającej fali promieniowania propagującego w drugim falowodzie, tak aby stało się możliwe sprzężenie promieniowania między dwoma falowodami i przenoszenie między nimi mocy optycznej.

Użycie sprzęgaczy z zanikającą falą na podłożu z niobianu litu do wykonania rozdzielaczy polaryzacyjnych jest znane.

Sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą są wykonane według schematu pokazanego na fig. 5. Składają się one z dwóch równoległych do siebie falowodów jednomodowych o długości Lc, oddalonych od siebie na odległość c i połączonych, odpowiednio, z jednomodowymi falowodami wejściowymi 1, 2 i 4, 3. Odległość między dwoma skrajnymi brzegami falowodów 5 jest oznaczona przez D. Falowody 1 - 5 mają tę samą szerokość co falowody 31, 35, 36, 38. Między falowodami wejściowymi 1 i 4 oraz 2 i 3 są kąty θ o tej samej wartości. Największa odległość między osiami falowodów wejściowych 1 i 4 jest oznaczona przez A. Największa odległość między osiami falowodów wejściowych 2 i 3 jest oznaczona przez B. E oznacza całkowitą długość sprzęgacza.

Odległość C jest wybierana na tyle mała, aby umożliwić sprzężenie promieniowania między dwoma falowodami 5. W szczególności, możliwe jest wykonanie sprzęgaczy z C = 0, w którym dwa równoległe falowody są zastąpione przez jeden falowód dwumodowy 5 o całkowitej szerokości D. W dalszej części opisu uwzględniono ten właśnie przypadek. Uogólnienie na przypadek C > 0, jest oczywiste dla znawców tej dziedziny techniki.

Działanie sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą jest następujące: jednomodowy sygnał optyczny wchodzący do falowodu 5, na przykład przez wejście 1, wzbudza w nim podstawowy mod symetryczny i asymetryczny mod pierwszego rzędu; w dwumodowym falowodzie 5 wypadkowe współczynniki załamania są różne dla każdego z dwóch modów, dla każdego modu, dla każdej z dwóch polaryzacji TE i TM; wzdłuż falowodu 5 dwa mody interferują ze wzrostem różnic faz DFTE i DFTM, odpowiednio dla składowych TE i TM, wywołując dudnienie mocy optycznej o przebiegu zależnym od polaryzacji; przez dobór odpowiedniej długości i parametrów wywołujących wypadkowe współczynniki załamania można zatem na wyjściu falowodu 5, w jednomodowych falowodach 2 i 3 rozdzielić dwie polaryzacje.

Dla produkowanych sprzęgaczy polaryzacyjnych przyjęto następujące wartości parametrów: C = 0 mm, D = 14 mm, E = 5 mm, θ = 0,55°.

Dla sprzęgaczy polaryzacyjnych mających wymienione wartości parametrów, w celu skutecznego rozdzielenia wychodzących z urządzenia składowych TE i TM, odległości A i B muszą wynosić co najmniej 30 pm.

W urządzeniu według wynalazku wartości A i B dla sprzęgaczy 32, 40 i 37 wynosiły 30 pm.

Również odległość między falowodami 35, 36 oraz obszarami 42 i 43 przy prędkościach większych niż dla fal akustycznych musi być większa od odległości minimalnej zależnej od właściwości optycznych materiałów i od wymiarów falowodów. W przypadku, w którym zarówno podłoże, jak i falowody optyczne są takie jak w wykonanym urządzeniu, odległość ta wynosi co najmniej 35 pm, a jest pożądane, aby wynosiła co najmniej 40 pm, w celu uniknięcia strat optycznych, wynikających ze sprzężenia części sygnałów optycznych

180 680 z obszarami 42, 43, które dzięki dyfuzji tytanu uzyskały współczynnik załamania większy niż podłoże.

Odcinek 2 falowodu wejściowego sprzęgacza 32 i odcinek 2 sprzęgacza 40 jest dłuższy od pozostałych odcinków falowodów wejściowych. Promieniowanie z tych falowodów przenosi się przez pas 42 ograniczający falowód akustyczny, który ma współczynnik załamania wyższy niż podłoże i wydostaje się pasa 42 przez rozproszenie lub jako wynik strat Fresnela na końcu tego pasa.

Dla poprawienia pochłaniania promieniowania propagującego wzdłuż tych falowodów wejściowych, stosuje się korzystnie pochłaniacze optyczne 51, które zostały wykonane, na przykład, przez osadzenie warstwy metalu na odpowiednim falowodzie, na długości 3 lub 4 mm. Pochłaniacze optyczne mogą być wykonane podczas tych samych etapów produkcyjnych, w których wykonywane są przetworniki elektroakustyczne.

Dla ustalenia optymalnej wartości c dla sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą 32, 40 i 37 zostały przeprowadzone badania doświadczalne, których wyniki są przedstawione na fig. 6A.

Wykonanych zostało wiele różnych sprzęgaczy z zanikającą falą według schematu pokazanego na fig. 5. Sprzęgacze te miały podane wyżej wartości parametrów, a długości Lc zawarte w przedziale od 140 pm do 540 pm.

Wykres przytoczony na fig.óA podaje zmierzone dla sprzęgacza wartości współczynnika podziału SRx (wyrażonego w dB) w funkcji długości Lc wyrażonej w pm. Wielkość ta jest definiowana wzorem SRx = log(Px,l/Px,2), gdzie Px,l oznacza moc wyjściową polaryzacji x (TE lub TM) na wyjściu jednego z falowodów (na przykład - falowodu 2), zaś Px,2 oznacza moc wyjściową polaryzacji x na wyjściu innego z falowodów (falowodu 3 w przedstawianym przykładzie).

Na wykresie przedstawionym na fig. 6A krzywa 61 odnosi się do SRTM, zaś krzywa 62 - do SRTE. Te dwa wykresy pokazują okresowość zależności SRx pod wpływem zmian Lc, z różnymi okresami dla obu polaryzacji.

Dla danej polaryzacji, wysokie bezwzględne wartości współczynnika podziału odpowiadają prawie całkowitemu wydzieleniu składowej mającej polaryzację wymaganą dla jednego z dwóch portów wyjściowych. Dodatnia wartość współczynnika podziału odpowiada transmisji wzdłużnej przez urządzenie, to znaczy transmisji, w której sygnał jest prawie w całości skierowany do falowodu wyjściowego znajdującego się po tej samej stronie względem osi falowodu 5 co falowód wejściowy (na fig. 5: do falowodu 2, jeśli sygnał wejściowy wchodzi przez falowód 1). Ujemna wartość współczynnika podziału odpowiada natomiast transmisji skrośnej w urządzeniu, to znaczy transmisji, w której sygnał jest prawie w całości skierowany do falowodu wyjściowego położonego po przeciwnej stronie względem falowodu 5 co falowód wejściowy (na fig. 5: do falowodu 3, jeśli sygnał wejściowy wchodzi przez falowód 1).

W przypadku krzywej 61 (polaryzacji TM), maksimum występujące dla wartości Lc rzędu 180 pm odpowiada transmisji wzdłużnej.

Przeciwnie, w przypadku krzywej 62 (polaryzacji TE), minimum występujące dla wartości Lc rzędu 200 pm odpowiada transmisji skrośnej.

Optymalną wartość Lc uzyskuje się wtedy, gdy jednocześnie dla obu polaryzacji występuje duży współczynnik podziału, wyrażony wartościami bezwzględnymi i transmisja wzdłużna dla jednej polaryzacji oraz transmisja skrośna dla drugiej polaryzację.

W oparciu o powyższe rozważania, dla sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą do zastosowań w urządzeniu będącym przedmiotem wynalazku wybrana została długość Lc = 180 pm. Wartość ta zapewnia uzyskanie mierzonych wartości współczynnika podziału około 25 dB dla składowej TM i około 25 dB dla składowej TE, przy tym uzyskanie transmisji wzdłużnej dla składowej TM i transmisji skrośnej dla składowej TE.

Odpowiednie, zmierzone wartości tłumienia wynosiły około 0,4 dB dla składowej TM i około 0,5 dB dla składowej TE.

180 680

Fig.óB i 6C podają współczynniki podziału w zależności od długości fali dla sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą dla Lc = 140 μη, odpowiednio dla polaryzacji TM (fig. 6B) i TE (fig. 6C).

W urządzeniu akustooptycznym na fig.4 sprzęgacze 32 i 37 są tak połączone, aby wykorzystać transmisję skrośną, czyli działają one jako polaryzatory przepuszczające składową TE. Sprzęgacz 40 jest połączony tak, aby wykorzystać transmisję wzdłużną, czyli działa jak polaryzator przepuszczający składową TM.

Rozpoczynając od sygnału elektrycznego o odpowiedniej częstotliwości przetwornik elektroakustyczny 44 generuje falę akustyczną propagującą wewnątrz falowodu akustycznego 41. W przypadku podłoża piezoelektrycznego (takiego jak LiNbO₃) korzystnie jest, gdy przetwornik ten jest wykonany w postaci zespołu elektrod umieszczonych na podłożu 30. W przypadku podłoża wykonanego z materiału niepiezoelektrycznego, zespół elektrod może być umieszczony na warstwie materiału piezoelektrycznego przykrywającej podłoże.

Jeśli podłoże jest wykonane z LiNbO₃, to korzystnie jest, gdy przetwornik elektroakustyczny jest umieszczony z nachyleniem około 5° względem osi y.

W wykonanym urządzeniu akustooptycznym według wynalazku, przetwornik elektroakustyczny obejmuje pięć par elektrod umieszczonych sekwencyjnie w odstępach 21,6 pm, co odpowiada długości powierzchniowej fali akustycznej w LiNbO₃ mającej częstotliwość około 173,5 MHz. Częstotliwość ta jest niezbędna dla konwersji TE <=> TM przy długości fali optycznej około 1550 nm. Będzie oczywiste, że przez modyfikację odstępu elektrod można wykonać przetworniki elektroakustyczne przystosowane do pracy z urządzeniami akustooptycznymi działającymi na innych pasmach długości fal.

Zespoły elektrod mogą być wykonane przez osadzanie na podłożu warstwy metalu (na przykład aluminium) o grubości (przykładowo) 500 nm. Można było zaobserwować, ze umieszczenie warstwy pośredniej Y2O₃ pomaga w zmniejszeniu strat w znajdujących się pod nim falowodach optycznych. W szczególności, pomijalne straty można uzyskać z warstwami pośrednimi o grubości około 100 nm. Na warstwy pośrednie mogą być używane rozmaite materiały, takie jak SiCh, AI2O3, a ich grubości muszą być tak dobierane, aby zminimalizować straty w leżących pod nimi falowodach optycznych bez pogarszania generacji fal akustycznych w podłożu.

Urządzenie akustooptyczne może być dostrajane do długości fali 1500 nm lub 1600 nm, to znaczy przesuniętej o 50 nm względem środkowej długości fali 1550 nm, w związku z tym zespoły elektrod są zasilane mocą około 100 mW, zamiast 50 mW wymaganych przy pracy na środkowej długości fali.

Proces wytwarzania urządzenia akustooptycznego według wynalazku jest znacznie prostszy w porównaniu z procesem wytwarzania tego urządzenia według znanych metod. W szczególności, ponieważ polaryzator przepuszczający składową TM składa się z falowodowego sprzęgacza polaryzacyjnego, to może być wytworzony na podłożu podczas tego samego etapu wytwarzania, w czasie którego wykonuje się pozostałe sprzęgacze polaryzacyjne i falowody optyczne.

Dla urządzenia akustooptycznego stwierdzono występowanie strat wtrącenia o wartości od 2,5 dB do 3,5 dB dla sygnałów mających polaryzację TE (tłumienia, któremu ulegają sygnały optyczne o polaryzacji TE i długości fali odpowiadającej środkowi pasma przenoszenia, w czasie przechodzenia przez to urządzenie).

Jeśli rozważyć również tłumienia wejściowe i wyjściowe, które wynikają z połączeń między falowodem i dwoma odcinkami światłowodu, niezbędnymi do połączenia urządzenia akustooptycznego z innymi elementami układu optycznego, to straty wtrącenia dla sygnałów o polaryzacji TE przyjmują wartość w zakresie od 4,0 dB do 5,0 dB. Stwierdzono, że szerokość pasma przenoszenia odpowiadającego na charakterystyce połowie wartości maksymalnej jest zawarta od 1,2 nm do 2,0 nm. Boczne wstęgi pasma przenoszenia wykazują spadek o co najmniej 20 dB w porównaniu ze środkowym pikiem charakterystyki przenoszenia. W najkorzystniejszych przypadkach stwierdzano na wstęgach bocznych spadek o 25 dB. Szczątkowy szum tła (tłumienie sygnałów o długościach fal leżących poza pasmem przenoszenia) jest mniejszy niż 25 dB.

180 680

Opisane urządzenie akustooptyczne jest przystosowane do użycia jako sterowany długością fali filtr dla sygnałów o określonej polaryzacji. W szczególności nadaje się do użycia jako filtr do wybierania długości fali we wnęce lasera, co może dotyczyć przypadków z włóknami aktywnymi.

Szczególnie korzystną strukturę dla opisanego urządzenia akustooptycznego można uzyskać przez odpowiedni dobór długości pierwszego i drugiego stopnia, tak aby pozostawały w stosunku około 1:1,6. Stąd, minimalne wartości charakterystyki widmowej dotyczące pierwszego stopnia pokrywają się z maksimami wstęg bocznych charakterystyki widmowej odnoszącej się do drugiego stopnia, tak że wstęgi boczne wypadkowej charakterystyki widmowej urządzenia akustooptycznego są znacznie stłumione.

W celu przeprowadzenia pełnej konwersji TE => TM => TE za pomocą dwóch stopni o różnej długości, niezbędne jest, aby moc akustyczna w pierwszym stopniu była wyższa od mocy akustycznej w drugim stopniu o około 4 dB. Można to osiągnąć przez tłumienie mocy akustycznej w drugim stopniu za pomocą odpowiednich pochłaniaczy akustycznych umieszczonych wzdłuż falowodu akustycznego między pierwszym i drugim stopniem, wykonanych na przykład w procesie mikrolitograficznym.

Wariantowo, opisana struktura urządzenia akustooptycznego może być zmodyfikowana przez dodanie akustycznego urządzenia pochłaniającego 46, umieszczonego wzdłuż falowodu akustycznego 41, w pobliżu końca falowodu 35 połączonego ze sprzęgaczem 40 i dostosowanego do pochłaniania resztkowej powierzchniowej fali akustycznej, danie drugiego przetwornika elektroakustycznego 47 umieszczonego wzdłuż falowodu akustycznego 41, w pobliżu końca falowodu 36, połączonego ze sprzęgaczem 40 i przystosowanego do generacji akustycznej fali powierzchniowej wewnątrz falowodu 41 oraz akustycznego urządzenia pochłaniającego 49 umieszczonego wzdłuż falowodu 41 w pobliżu końca falowodu 36, połączonego ze sprzęgaczem 40, przystosowanego do pochłaniania fali akustycznej generowanej przez przetwornik 47 i propagującej w kierunku przeciwnym do kierunku sygnałów optycznych.

W ten sposób powierzchniowe fale akustyczne propagujące w pierwszym i diugim odcinku są generowane niezależnie od siebie. Dlatego moce akustyczne w dwóch stopniach mogą być różne po to, aby zoptymalizować parametry widmowe urządzenia akustooptycznego.

Dzięki temu niezależnemu sterowaniu powierzchniową falą akustyczną w dwóch stopniach, jest też możliwe wybieranie środków pasm przenoszenia dla dwóch stopni, w przypadku pasm lekko od siebie oddalonych, tak aby otrzymać dla urządzenia szersze pasmo przenoszenia.

Wreszcie, niezależne prowadzenie dwóch stopni umożliwia zmniejszenie, o połowę, czasu potrzebnego na strojenie urządzenia akustooptycznego. Obecnie, czas potrzebny fali akustycznej na przejście przez dłuższy z dwóch stopni urządzenia, jest krótszy niż czas potrzebny na przejście przez cały falowód akustyczny, i wynosi połowę wartości charakterystycznej dla przypadku stopni mających tę samą długość. Gdy urządzenie akustooptyczne jest używane jako filtr do wielokanałowego wybierania w systemach telekomunikacyjnych z multipleksją falową WDM, to krótszy czas strojenia zawiera korzyść szybszej zmiany konfiguracji systemu.

Rozwiązanie wariantowe w stosunku do użycia akustycznego urządzenia pochłaniającego 46 (oraz 49) dla pochłaniania powierzchniowej fali akustycznej, propagującej w kierunku przeciwnym względem sygnałów optycznych, polega na zastosowaniu jednokierunkowych przetworników elektroakustycznych zamiast przetworników elektroakustycznych 44 (i opcjonalnie 47). Przetworniki tego typu są znane.

Przetworniki takie są korzystnie wykonane, jak pokazano na fig. 7, za pomocą ciągu zespołów elektrod 44' i 44 osadzonych na podłożu 30 w odległości (1/4 + η) λΑ od siebie (gdzie λΑ jest długością fali akustycznej, zaś n jest liczbą całkowitą), i sterowanych sygnałami elektrycznymi przesuniętymi o 90°. Sygnał elektryczny RF, wytwarzany przez generator 71 jest doprowadzany do elektrod 44'. Ten sam sygnał, opóźniony w fazie o 90° przez układ 72, jest doprowadzany do elektrod 44 .

Konfiguracja taka daje interferencję niszczącą fal akustycznych generowanych na powierzchni podłoża w kierunku od zespołu elektrod 44' do zespołu elektrod 44. Przeciwnie,

180 680 w kierunku od zespołu elektrod 44 do zespołu elektrod 44' występuje interferencja tworząca, zapewniająca generację powierzchniowej fali akustycznej 73 na powierzchni podłoża.

Zastosowanie jednokierunkowych przetworników elektroakustycznych pozwala ominąć akustyczne urządzenie pochłaniające 46 (oraz 49) i ściśle z nim związane ogrzewanie podłoża. Ogrzewanie to wynika z rozpraszania przepływającej energii akustycznej. Ponadto, dzięki podwojeniu sprawności przetwarzania elektroakustycznego można zastosować źródło sygnału RF o niższej mocy.

Na fig. 8 przedstawiona jest wariantowa wersja zintegrowanego z falowodem urządzenia akustooptycznego. Według tej wersji, falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą w falowodzie, dla typów podawanych w związku z fig.4 i rozmieszczonych w tej samej konfiguracji, są wykonane na podłożu 30. Falowody optyczne 34, 36 spoczywają na odcinkach podłoża zawartych wewnątrz falowodów akustycznych 81, 83. Przetworniki elektroakustyczne 44, 47 generują powierzchniowe fale akustyczne propagujące przez falowody akustyczne 82, 84 rozmieszczone w odpowiedniej kolejności z falowodami 81, 83 tak, aby tworzyły sprzęgacze akustyczne. Te sprzęgacze falowodów akustycznych, działające w ten sam sposób jak sprzęgacze falowodów optycznych, zawierają środkowy odcinek, w którym falowody akustyczne znajdują się blisko siebie tak, że staje się możliwe przechodzenie powierzchniowych fal akustycznych z jednego falowodu do drugiego.

Na przykład, według znanego stanu wiedzy, sprzęgacze te są wykonane w taki sposób, że profil intensywności powierzchniowej fali akustycznej wzdłuż falowodów 81, 83 wykazuje jedno maksimum w środkowej części tych falowodów i dwa minima na ich końcach. Sygnały optyczne propagujące wzdłuż falowodów optycznych 35, 36 oddziałują z falą akustyczną o narastającej intensywności w pierwszej połowie drogi i o malejącej intensywności w drugiej połowie drogi.

Pochłaniacze akustyczne występują na jednym z końców falowodów akustycznych 82, 84 w celu stłumienia resztkowych powierzchniowych fal akustycznych i fal propagujących w kierunku przeciwnym względem sygnałów optycznych. Możliwe nagrzewanie podłoża wynikające z rozpraszania energii akustycznej jest w tym urządzeniu umiejscowione na tych odcinkach podłoża, przez które nie przechodzą falowody optyczne i dlatego nie stanowią problemu dla działania samego urządzenia.

Charakterystyka widmowa urządzenia akustooptycznego według opisywanego przykładu wykonania ma większe tłumienie wstęg bocznych niż urządzenie pokazane na fig.4.

Na fig.9 przedstawiono dwustopniowe, niepolaryzacyjne, falowodowe urządzenie akustooptyczne według wynalazku. Na podłożu 30 znajduje się wiele elementów. Kanałowy falowód optyczny 31 ma jeden koniec na krawędzi podłoża i jest przystosowany do odbioru sygnałów optycznych wchodzących do urządzenia, na przykład przez odpowiednio połączony światłowód. Drugi koniec falowodu 31 jest połączony z końcówką 1 sprzęgacza polaryzacyjnego 32. Falowód optyczny 28 ma jeden koniec na krawędzi podłoża, drugi zaś jest połączony z końcówką 4 sprzęgacza 32. Końcówka 2 sprzęgacza 32 jest połączona z końcówką 1 sprzęgacza polaryzacyjnego 37 przez falowód 33, polaryzator 39 przenoszący składową TE i falowód 34. Końcówka 3 sprzęgacza 32 jest połączona z falowodem 35 dołączonym do końcówki 1 sprzęgacza polaryzacyjnego 40. Końcówka 2 sprzęgacza 40 jest połączona z falowodem 36 dołączonym do końcówki 4 sprzęgacza 37. Końcówka 2 sprzęgacza 37 jest dołączona do falowodu 38 kończącego się na krawędzi podłoża i umożliwiającego wyprowadzenie sygnału optycznego przez połączenie go, na przykład, ze światłowodem. Końcówka 3 sprzęgacza 37 jest połączona z falowodem 29 kończącym się na krawędzi podłoża.

Na podłożu 30 zostały też uformowane: falowód akustyczny 41 rozciągający się nad odcinkiem podłoża obejmującym falowody optyczne 33, 34, 35, 36 i ograniczony dwoma paskami 42 i 43, w których prędkość fali akustycznej jest większa niż w falowodzie 41; jednokierunkowy przetwornik elektroakustyczny 44', 44 rozmieszczony wzdłuż falowodu akustycznego 41, przy końcach falowodów 33, 35 połączonych ze sprzęgaczem 32, przystosowany do generacji powierzchniowej fali akustycznej wewnątrz falowodu akustycznego; akustyczne urządzenie pochłaniające 45 umieszczone wzdłuż falowodu akustycznego 41 przy

180 680 końcach falowodów 34, 36, połączonych ze sprzęgaczem 37, dostosowane do pochłaniania resztkowej powierzchniowej fali akustycznej.

W wykonanym niepolaryzacyjnym urządzeniu akustooptycznym zostały zastosowane takie same materiały oraz wybrane takie same wartości parametrów konstrukcyjnych jak te, które dotyczyły urządzenia akustooptycznego opisywanego wraz z fig.4.

W celu optymalizacji działania urządzenia w różnych warunkach pracy, znawcy tej dziedziny techniki mogą wybierać różne materiały spośród znanych materiałów dwójłomnych i fotoelastycznych, różne wartości parametrów, w szczególności bierze się pod uwagę długość fali określającej środek pasma przenoszenia. W wykonanym urządzeniu, podłoże 30 składało się z kryształu LiNbO₃ uciętego pod kątem prostym do osi x. Falowody 31, 33, 34, 35, 36, 38 oraz falowody 5 sekcji sprzęgaczy polaryzacyjnych 32, 40, 37 są zorientowane wzdłuż osi y kryształu. Falowody akustyczne, falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne są wykonane przez osadzanie, a następnie dyfuzję tytanu w podłożu. Rozmiary i sposoby wykonania tych elementów są takie same jak te podawane dla urządzenia przedstawionego na fig.4..

Ponadto, falowody optyczne 33, 35 oraz odpowiednio 34, 36 muszą być oddalone na minimalną odległość, w celu uniknięcia efektu nakładania bocznych części (fal zanikających) sygnałów propagujących przez te falowody i wynikającego stąd interferencyjnego sprzężenia sygnałów w falowodach. Odległość ta jest wybierana przez znawcę z uwzględnieniem zależności parametrów optycznych użytych materiałów (w szczególności współczynników załamania) i rozmiarów falowodów. W przypadku, gdy podłoże i falowody optyczne są takie, jak w wykonanym urządzeniu, ta minimalna odległość wynosi około 40 pm. Mogą być wybierane większe odległości między falowodami optycznymi, jednak w sposób zgodny z wymaganiem prowadzenia falowodów przez obszary o maksymalnej intensywności akustycznej, w pobliżu osi falowodu akustycznego.

Również odległość między falowodami 33, 34 i obszarem 42 zwiększonej prędkości fal akustycznych oraz odpowiednio między falowodami 35, 36 i obszarem 43 zwiększonej prędkości fal akustycznych musi być większa od odległości minimalnej, zależnej od parametrów optycznych użytych materiałów i rozmiarów falowodów. W przypadku, gdy podłoże i falowody optyczne są takie same jak w wykonanym urządzeniu, odległość ta wynosi co najmniej 35 pm, a jest pożądane, aby wynosiła co najmniej 40 pm, w celu unikania strat optycznych będących wynikiem sprzężeń części sygnałów optycznych z obszarami 42, 43, to znaczy będących wynikiem dyffizji tytanu, zapewniającej współczynnik załamania światła większy niż dla podłoża.

W wykonanym urządzeniu, parametr A sprzęgacza 32, A i B - sprzęgacza 40 i parametr B sprzęgacza 37 mają wartość 30 pm. Wartość B dla sprzęgacza 32 i A dla sprzęgacza 37 wynosi 30 pm.

Falowód 3 sprzęgacza 40 jest wykonany jako dłuższy niż inne końcówki. Promieniowanie z tego falowodu propaguje w pasku 43 ograniczającym falowód akustyczny, który ma współczynnik załamania wyższy niż podłoże i wydostaje się z paska 43 przez dyfuzję z jego powierzchni albo w związku ze stratami Fresnela- na końcu tego paska.

W celu poprawy absorbcji promieniowania propagującego przez tę końcówkę, może być zastosowany pochłaniacz optyczny 51, wykonany, na przykład, przez osadzanie warstwy metalu na falowodzie, na długości 3 lub 4 mm. Pochłaniacz optyczny może być wykonany w czasie etapów technologicznych przewidzianych dla wytwarzania przetworników elektroakustycznych.

Polaryzator 39 przenoszący składową TE, wykonany w znany sposób, jest pokazany w przekroju na fig. 10. Składa się on z odcinka jednomodowego falowodu optycznego 101 takiego jak już opisywane, o długości około 1,5 mm, wykonanego jednocześnie z innymi falowodami i sprzęgaczami polaryzacyjnymi. Na elemencie tym na szerokości około 30 pm jest osadzona gruba na 17 nm warstwa buforowa 102 wykonana z SiO₂ i warstwa aluminium 103 o grubości 100 nm. Polaryzator 39 ma współczynnik wygaszania większy niż 25 dB i zasila składową TE promieniowania z tłumieniem niniejszym niż 0,5 dB. Opisany polaryzator, przenoszący składową TE, jest optymalizowany pod względem działania z promieniowaniem o długości fali w paśmie położonym wokół 1550 nm.

180 680

Znawca będzie w stanie wykonać polaryzator przenoszący składową TE, dostosowany do różnych długości fal, przez dostosowanie parametrów konstrukcyjnych, w szczególności grubości materiału warstwy buforowej.

W wykonanym urządzeniu akustooptycznym według wynalazku, jednokierunkowy przetwornik elektroakustyczny obejmuje dwa ciągi 44', 44 , oddalonych od siebie o około 5 pin, pięciu par elektrod umieszczonych sekwencyjnie w odstępach 21,6 pm, co odpowiada długości powierzchniowej fali akustycznej w LiNbOj mającej częstotliwość około 173,5 MHz. Częstotliwość ta jest niezbędna dla konwersji TE <=> TM przy długości fali optycznej około 1550 nm. Jest oczywiste, że przez modyfikację odstępu elektrod można wykonać przetworniki elektroakustyczne nadające się do filtracji optycznej w innych pasmach długości fal. Zespoły elektrod są wykonane według sposobów opisanych już w odniesieniu do urządzenia z fig.4.

Dla opisywanego urządzenia akustooptycznego stwierdzono straty wtrącenia (tłumienie, jakiemu ulegają sygnały optyczne o długości odpowiadającej środkowi pasma, przy przejściu przez urządzenie) o wartości od 2,5 dB do 3,5 dB.

Jeśli rozważyć również tłumienia wejściowe i wyjściowe, które wynikają z połączeń między falowodem i dwoma odcinkami światłowodu, niezbędnymi do połączenia urządzenia akustooptycznego z innymi elementami układu optycznego, to straty wtrącenia przyjmują wartość w zakresie od 4,0 dB do 5,0 dB.

Stwierdzono, że szerokość pasma przenoszenia odpowiadającego na charakterystyce połowie wartości maksymalnej jest zawarta od 1,2 nm do 2,0 nm.

Boczne wstęgi pasma przenoszenia wykazują spadek o co najmniej 20 dB w porównaniu ze środkowym pikiem charakterystyki przenoszenia. W najkorzystniejszych przypadkach stwierdzano na wstęgach bocznych spadek o 25 dB.

Straty zależne od polaryzacji (różnica tłumienia dla dwóch składowych sygnałów optycznych o wzajemnie prostopadłej polaryzacji) są ograniczone do wartości zawartej między 0,5 dB a 1,0 dB.

Szczątkowy szum tła (tłumienie sygnałów o długościach fal leżących poza pasmem przenoszenia) jest mniejszy niż -25 dB.

Opisane, niepolaryzacyjne urządzenie akustooptyczne jest przystosowane do użycia jako filtr sterowany długością fali. W szczególności, nadaje się on do użycia jako filtr do wybierania kanałów w optycznych systemach telekomunikacyjnych z multipleksją falową WDM. Sterując przetwornikiem elektroakustycznym za pomocą sygnału elektrycznego będącego superpozycją wielu sygnałów elektrycznych o różnych częstotliwościach, otrzymuje się pasmo przenoszenia dla filtru składające się z sumy wielu różnych przedziałów długości fal, z tylu przedziałów ile jest składowych elektrycznego sygnału sterującego o różnych częstotliwościach, przy czym długości fal odpowiadające środkom poszczególnych przedziałów zależą od częstotliwości składowych elektrycznego sygnału sterującego. W ten sposób filtr akustooptyczny, sterowany odpowiednim sygnałem elektrycznym, może być wykorzystany do jednoczesnego wybierania wielu kanałów o różnych długościach fal.

Opisane, niepolaryzacyjne urządzenie akustooptyczne może być też użyte do odświeżania kształtu impulsów w optycznym impulsowym systemie telekomunikacyjnym.

Również w przypadku opisanego niepolaryzacyjnego urządzenia akustooptycznego, możliwe jest wprowadzenie wariantowej wersji niezależnej generacji powierzchniowych fal akustycznych w dwóch stopniach urządzenia, na przykład za pomocą drugiego jednokierunkowego przetwornika elektroakustycznego, nie pokazanego na fig. 9, wykonanego w ten sam sposób jak przetwornik opisywany wraz z fig. 7, który składa się z dwóch ciągów elektrod, umieszczonych wzdłuż falowodu akustycznego 41, w pobliżu końców falowodów 34, 36, które z kolei są połączone z polaryzatorem 39 i sprzęgaczem 40. Przetwornik ten nadaje się do generacji powierzchniowej fali akustycznej w falowodzie akustycznym 41. Występuje też akustyczne urządzenie pochłaniające 46, nie pokazane na fig.9, umieszczone wzdłuż falowodu akustycznego 41, przy końcach falowodów 33, 35, które są połączone z polaryzatorem 39 i sprzęgaczem 40. Jest ono przystosowane do pochłaniania resztkowej, powierzchniowej fali akustycznej w pierwszym stopniu urządzenia.

180 680

Można również wykonać dwustopniowe, zintegrowane z falowodem urządzenie akustooptyczne według wynalazku, używając polaryzatorów przenoszących składowe TE i TM między pierwszym i drugim stopniem, obu składających się ze sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą umieszczonych w falowodzie.

Pierwszy przykład wykonania według tej struktury, pokazany na fig. 11, obejmuje następujące elementy znajdujące się na podłożu 30 z dwójłomnego i fotoelatycznego materiału: trzy sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą 32, 40, 37, tego samego typu jak omawiane w odniesieniu do fig. 5, których długość Lc jest dobierana w sposób pozwalający na transmisję wzdłużną składowej TM i transmisję skrośną dla składowej TE; sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającąfalą 111 typu opisanego w odniesieniu do fig. 5, którego długość Lc jest dobierana w sposób pozwalający na transmisję wzdłużną składowej TE i transmisję skrośną dla składowej TM; falowód optyczny 31 biorący początek na końcu podłoża i połączony z końcówką 1 sprzęgacza 32; falowód optyczny 28 rozpoczynający się na krawędzi podłoża i połączony z końcówką 4 sprzęgacza 32; falowód 33 włączony między końcówkę 2 sprzęgacza 32 i końcówkę 4 sprzęgacza 111; falowód 34 włączony między końcówkę 3 sprzęgacza liii końcówkę 1 sprzęgacza 37; falowód 35 włączony między końcówkę 3 sprzęgacza 32 i końcówkę 1 sprzęgacza 40; falowód 36 włączony między końcówkę 2 sprzęgacza 40 i końcówkę 4 sprzęgacza 37; falowód 38 dołączony do końcówki 2 sprzęgacza 37 i kończący się na krawędzi podłoża; falowód 29 dołączony do końcówki 3 sprzęgacza 37 i kończący się na krawędzi podłoża; falowód akustyczny 41 rozciągający się nad odcinkiem podłoża obejmującym falowody optyczne 33, 34, 35, 36 i ograniczonym dwoma wstęgami 42, 43, w których prędkość fali akustycznej jest większa niż w falowodzie 41; przetwornik elektroakustyczny 44 umieszczony wzdłuż falowodu akustycznego 41 przy końcu falowodów 33 i 35 połączonych ze sprzęgaczem 32, który jest przystosowany do generacji powierzchniowej fali akustycznej w falowodzie akustycznym; akustyczne urządzenie pochłaniające 45 umieszczone wzdłuż falowodu akustycznego 41 przy końcach falowodów 34, 36 połączonych ze sprzęgaczem 37, które jest przystosowane do pochłaniania resztkowej, powierzchniowej fali akustycznej.

Falowody 31, 33, 34, 35, 36, 38 i falowody pięciu odcinków sprzęgaczy polaryzacyjnych 32,111, 40, 37 są do siebie równoległe.

Końcówka 2 sprzęgacza 111 i 3 sprzęgacza 40 ma większą długość niż inne końcówki. Promieniowanie z tych końcówek propaguje we wstęgach 42 i 43 ograniczających falowód akustyczny, który ma wyższy współczynnik załamania niż podłoże po czym wydostaje się ze wstęg 42, 43 przez rozpraszanie przez ich powierzchnię lub w związku ze stratami Fresnela, na końcach samych wstęg.

W celu poprawy absorbcji promieniowania propagującego przez te końcówki optyczne, można użyć pochłaniaczy optycznych 51, wykonanych, na przykład, przez osadzanie warstwy metalu na odpowiednim falowodzie, na długości 3 lub 4 mm. Pochłaniacze optyczne mogą być wykonane w czasie etapów technologicznych przewidzianych dla wytwarzania przetworników elektroakustycznych.

Dla umożliwienia transmisji wzdłużnej składowej TM i transmisji skrośnej składowej TE przy długościach fal około 1550 nm, długość Lc falowodów 5 sprzęgacza polaryzacyjnego 111 jest przyjmowana od 500 pm do 1000 pm dla kąta rozwidlenia między falowodamu wejściowymi 3 = 0,55°. Zgodnie z wykonanymi obliczeniami, przez wzrost tego kąta możliwe jest zmniejszenie długości w stosunku do przyjmowanych wartości.

Wybór materiału podłoża, jego orientacji, rozmiarów i technologii wytwarzania falowodów optycznych i akustycznych, sprzęgaczy polaryzacyjnych i przetworników elektroakustycznych może podlegać tym samym kryteriom jak te, które były przyjmowane dla podobnych elementów stosowanych w opisywanym urządzeniu w odniesieniu do fig. 9.

Ten przykład wykonania ma tę zaletę, że układ może być wytwarzany w bardzo prosty sposób. Falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne mogą być w szczególności wytwarzane w podłożu jednocześnie, przez co eliminowany jest etap wytwarzania polaryzatora zapewniającego przejście składowej TE, a w wyniku zmniejszenie liczby etapów technologicznych niezbędnych do produkcji urządzenia.

180 680

W drugim wariantowym przykładzie wykonania, pokazanym schematycznie na fig. 12, przewidziane jest użycie sprzęgacza polaryzacyjnego z zanikającą falą 121, identycznego ze sprzęgaczami polaryzacyjnymi 32, 37, 40, pracującego jako polaryzator przepuszczający składową TM, umieszczany między pierwszym i drugim stopniem układu. Sprzęgacz 111 jest połączony z resztą układu optycznego znajdującego się na podłożu, za pomocą końcówek 1, 3 umieszczonych po przeciwnej stronie osi falowodu 5, w sposób pozwalający na wykorzystanie modu transmisji skrośnej.

Połączenie falowodu 33 z końcówką 1 sprzęgacza 121 odbywa się za pomocą zakrzywionego odcinka 122 kanałowego falowodu optycznego o długości F. W celu uniknięcia wpływów między zakrzywionym odcinkiem 122 i wstęgami ograniczającymi falowód akustyczny, co mogłoby dawać straty w kierunku tych wstęg sygnałów optycznych propagujących w zakrzywionym odcinku 122, falowód akustyczny i związane z nimi wstęgi ograniczające powinny być przerwane w ich środkowym odcinku. W ten sposób, tworzą się dwa falowody akustyczne 123 i 126, po jednym dla każdego stopnia urządzenia. Są one odpowiednio określone za pomocą wstęg 124, 125 oraz 127, 128, w których zwiększona jest prędkość dla powierzchniowych fal akustycznych.

Falowody optyczne 34, 35 oraz 34, 36 są zawarte odpowiednio w tych odcinkach podłoża, gdzie rozciągają się falowody akustyczne 123 i 126. Ponadto, falowodom akustycznym 123,126 odpowiadają jednokierunkowe przetworniki elektroakustyczne 44', 44 oraz 47', 47 umieszczone wzdłuż falowodów przy końcach dołączonych odpowiednio do sprzęgacza 32 i sprzęgaczy 121 i 40; przetworniki te są przystosowane do generacji powierzchniowych: fal akustycznych w odpowiednich falowodach akustycznych. Znajdują się tam również akustyczne urządzenia pochłaniające 48, 45, umieszczone wzdłuż falowodów przy końcach dołączonych odpowiednio do sprzęgaczy 121,40 oraz sprzęgacza 37.

W tym drugim, wariantowym przykładzie wykonania, urządzenie jest zestawione z elementów podobnych do tych, które były używane w poprzednich rozwiązaniach i są rozmieszczone w identyczny sposób.

W korzystnym przykładzie, długość F zakrzywionego odcinka 122 wynosiła około 4 mm, zaś odpowiedni promień skrętu falowodu optycznego był nie mniejszy niż 100 mm, w celu ograniczenia możliwych strat związanych ze skręcaniem falowodów optycznych.

Proces wytwarzania urządzenia według drugiego, wariantowego przykładu wykonania, zawiera te same korzyści jak dla pierwszego przykładowego wykonania, pod względem ograniczenia liczby wymaganych etapów. Ponadto, w drugim przykładzie wykonania wszystkie sprzęgacze polaryzacyjne są identyczne, co czyni urządzenie bardziej niewrażliwym na wahania procesu i upraszcza etap projektowania, ponieważ nie ma potrzeby optymalizacji wymiarów sprzęgacza polaryzacyjnego dla zapewnienia w nim, odmiennie niż w innych sprzęgaczach, transmisji wzdłużnej dla składowej TE i jednoczesnej transmisji skrośnej dla składowej TM.

Trzeci, wariantowy przykład wykonania, pokazany schematycznie na fig. 13, różni się od drugiego przykładowego wykonania, ponieważ jeden sprzęgacz polaryzacyjny 131 z zanikającą falą został zorientowany w pozycji obróconej względem kierunku falowodów 31, 33, 34, 35, 36,38.

Obrót o kąt odpowiadający połowie kąta rozwidlenia 3 między końcówkami samego sprzęgacza, umożliwia zmniejszenie długości zakrzywionego odcinka łączącego 132 pomiędzy końcówkami sprzęgacza i falowodów optycznych tego urządzenia. W szczególności, długość zakrzywionego odcinka łączącego 132 może być mniejsza niż 0,5 mm.

W przypadku gdy podłoże jest utworzone z LiNbOa, a propagacja odbywa się wzdłuż osi y kryształu, obrócony sprzęgacz działa w rzeczywistości w ten sam sposób jak inne sprzęgacze, jeśli kąt obrotu 3/2 jest mniejszy od dokładności z jaką można ustawić orientację osi y kryształu względem podłoża, która to dokładność wynosi około 0,3°.

Jednocześnie, dla kompensacji mogących wystąpić niewielkich różnic, cała struktura filtru może zostać obrócona o kąt około 3/4 w kierunku odwrotnym, co pozwala osiągnąć korzyści związane z trzecim przykładowym wykonaniem urządzenia.

180 680

W opisach urządzeń według wynalazku odnoszono się do sytuacji, gdy powierzchniowe fale akustyczne i sygnały optyczne propagowały w tym samym kierunku wzdłuż odpowiednich równoległych falowodów. Jest również możliwe dostarczenie przykładowego wykonania, w którym powierzchniowe fale akustyczne propagują w kierunku odwrotnym do sygnałów optycznych.

Przedstawiono zastosowanie falowodów akustycznych dla poprawy jakości kierunkowych właściwości fal akustycznych i uzyskania obszarów najwyższego ich natężenia w pobliżu falowodów optycznych. Jednakże, w rozwiązaniu według wynalazku, jest też możliwe użycie przetworników kierunkowych, generujących powierzchniowe fale akustyczne propagujące w kierunku falowodów optycznych, przy braku falowodów akustycznych.

Podobnie, wariantowe rozwiązania, podane w związku z niektórymi opisywanymi urządzeniami, mogą być też stosowane w innych opisywanych urządzeniach, po przeprowadzeniu odpowiednich adaptacji oczywistych dla znawców tych problemów.

Nawet jeśli opisywany wynalazek odnosił się do przypadku, w którym polaryzator, łączący dwa stopnie urządzenia powiązane interakcyjnie falą akustyczną składa się z pojedynczego sprzęgacza polaryzacyjnego z zanikającą falą to dla znawcy będzie zrozumiałe, że jeśli jest dopuszczalny niewielki wzrost całkowitej długości i tłumienia urządzenia, to jeden albo wszystkie polary zatory łączące dwa stopnie mogą składać się z dwóch, lub wielu połączonych szeregowo sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą przy czym można uzyskać mniejszy współczynnik wygaszania dla każdego z tych polary zatorów oraz mniejsze szumy tła dla całych urządzeń.

180 680

Fig. 8

180 680

<C

180 680

RF

180 680

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Akustooptyczne urządzenie falowodowe do wybierania długości fal, zaopatrzone w jedno podłoże z dwójłomnego i fotoelastycznego materiału, na którym jest uformowany pierwszy stopień obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego w pierwszym przedziale długości fal zawierający co najmniej jeden falowód optyczny, przez który przechodzi sygnał optyczny i uformowany jest drugi stopień obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego w drugim przedziale długości fal zawierający co najmniej jeden falowód optyczny, przez który przechodzi sygnał optyczny, ponadto jest uformowany co najmniej jeden falowód optyczny łączący pierwszy i drugi stopień, zawierający polaryzator oraz jest uformowany co najmniej jeden falowód optyczny, znajdujący się poniżej drugiego stopnia i zawierający element czuły na polaryzację, znamienne tym, że polaryzator jest zaopatrzony w sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jeden z dwóch stopni obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego zawiera środki generujące powierzchniową falę akustyczną.
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że podłoże obejmuje falowód akustyczny zawierający co najmniej jeden odcinek jednego z dwóch falowodów optycznych, przez które przechodzi sygnał optyczny, pierwszego i drugiego stopnia obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego.
4. Urządzenie według zastrz.3, znamienne tym, że obejmuje pierwszy falowód akustyczny rozmieszczony nad odcinkiem podłoża zawierającym falowód optyczny pierwszego stopnia obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego oraz drugi falowód akustyczny rozmieszczony nad odcinkiem podłoża zawierającym falowód optyczny drugiego stopnia obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego.
5. Urządzenie według zastrz.2, znamienne tym, że środki generujące powierzchniową falę akustyczną dla jej jednokierunkowej propagacji w falowodzie akustycznym, są usytuowane w co najmniej jednym z falowodów akustycznych, w pobliżu końca następnego z nich.
6. Urządzenie według zastrz.5, znamienne tym, że środki generujące powierzchniową falę akustyczną są zaopatrzone w zespół elektrod położonych prostopadle względem falowodu akustycznego.
7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że zawiera dodatkowo pochłaniacz akustyczny umieszczony na końcu falowodu akustycznego.
8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że zawiera dodatkowo pochłaniacz akustyczny umieszczony na przeciwnym końcu falowodu akustycznego względem tego końca, na którym umieszczone są środki generujące powierzchniową falę akustyczną.
9. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że środki generujące powierzchniowe fale akustyczne zawierają dwa zespoły elektrod umieszczonych w określonej odległości od siebie i zasilone pierwszym przemiennym napięciowym sygnałem elektrycznym i drugim przemiemiennym napięciowym sygnałem elektrycznym otrzymanym przez przesunięcie fazy pierwszego sygnału elektrycznego o 90°, dla generacji jednokierunkowej fali akustycznej.
10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jest zaopatrzone w dwa równoległe falowody optyczne w każdym z dwóch stopni, pierwszym i drugim, obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego i dwa optyczne falowody łączące, między pierwszym i drugim stopniem, przy czym każdy z optycznych falowodów łączących zawierajeden polaryzator dostosowany do przenoszenia jednej z dwóch spolaryzowanych, wzajemnie prostopadłych składowych, a co najmniej jeden z polaryzatorów zawiera sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą.

180 680
11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że jeden z polaryzatorów jest polaryzatorem przenoszącym składową TE i obejmuje warstwę metalu przykrywającą odpowiedni optyczny falowód łączący, znajdujący się między pierwszym i drugim stopniem obrotu płaszczyzny polaryzacji sygnału optycznego, oraz obejmuje położoną między nimi warstwę buforową.
12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że każdy z polaryzatorów obejmuje sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą.
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że oba sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą są dla określonych polaryzacji przepuszczanych sprzęgaczami transmisji wzdłużnej.
14. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że jeden ze sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą jest sprzęgaczem transmisji wzdłużnej dla określonej polaryzacji przenoszonej, a drugi ze sprzęgaczy polaryzacyjnych z zanikającą falą jest sprzęgaczem transmisji skrośnej dla określonej polaryzacji przenoszonej.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że drugi sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą jest dołączony do optycznego falowodu łączącego za pomocą zakrzywionego odcinka falowodu.
16. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że drugi sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą zawiera prosty odcinek środkowy tworzący niezerowy kąt z falowodem łączącym.
17. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że co najmniej jeden z polaryzatorów obejmuje dwa sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą.
18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że każdy z polaryzatorów obejmuje dwa sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą.
19. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dwójłomnym i fotoelastycznym materiałem jest LiNbOa.
20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że falowody optyczne i sprzęgacze polaryzacyjne z zanikającą falą są wykonane za pomocą maskowania fotolitograficznego, osadzania warstwy metalu, a następne dyfuzji metalu w podłożu.
21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, że osadzona warstwa metalu jest utworzona z tytanu.
22. Sposób wytwarzania akustooptycznego urządzenia falowodowego do wybierania długości fal, w którym formuje się co najmniej jeden falowód akustyczny na podłożu wykonanym z dwójłomnego i fotoelastycznego materiału za pomocą dyfuzji pierwszego metalu w głąb podłoża, formuje się w podłożu zarówno pierwszy i drugi sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą, za pomocą fotolitograficznego osadzania a następnie dyfuzji drugiego metalu w podłożu, jak i co najmniej jeden falowód optyczny do połączenia sprzęgaczy polaryzacyjnych, przy czym falowód optyczny jest co najmniej częściowo zawarty w falowodzie akustycznym, formuje się polaryzator wzdłuż optycznego falowodu łączącego, a ponadto formuje się, wewnątrz co najmniej jednego z falowodów akustycznych, przetwornik elektroakustyczny obejmujący zespół elektrod, za pomocą osadzania fotolitograficznego trzeciego metalu na podłożu, znamienny tym, że formowanie polaryzatora przeprowadza się w etapie formowania pierwszego i drugiego sprzęgacza polaryzacyjnego i optycznego falowodu łączącego, przy czym formuje się trzeci sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą.
23. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że pierwszy, drugi i trzeci sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą są identyczne względem siebie.
24. Sposób według zastrz. 22, znamienny tym, że w podłożu formuje się, za pomocą osadzania fotolitograficznego, a następnie dyfuzji drugiego metalu w tym podłożu, pierwszy i drugi optyczny falowód łączący, pomiędzy pierwszym i drugim sprzęgaczem polaryzacyjnym, przy czym falowody optyczne są co najmniej częściowo zawarte w falowodzie akustycznym, przy czym formuje się też polaryzator wzdłuż każdego optycznego falowodu łączącego.
25. Sposób według zastrz. 24, znamienny tym, że formowanie polaryzatorów przeprowadza się w etapie formowania pierwszego i drugiego sprzęgacza polaryzacyjnego oraz

180 680 optycznych falowodów łączących, przy czym formuje się trzeci i czwarty sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą odpowiednio w pierwszym i drugim optycznym falowodzie łączącym.
26. Sposób według zastrz. 25, znamienny tym, że pierwszy, drugi, trzeci i czwarty sprzęgacz polaryzacyjny z zanikającą falą są identyczne względem siebie.

* * *