RU2106666C1

RU2106666C1 - Electrooptical device for adjustment of optical radiation intensity

Info

Publication number: RU2106666C1
Application number: RU96107288A
Authority: RU
Inventors: Фикрет Гаджиевич Геокчаев
Original assignee: Фикрет Гаджиевич Геокчаев
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1996-04-09
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: device has comparison unit, control unit and N waveguide channels positioned on plate made of lithium niobate. Control electrodes are applied on opposite edges of waveguide channels. Inputs of first and second waveguide channels serve as second input for delivery of optical radiation with uniform distribution of intensity at input. First input for delivery of optical radiation is combined with first input of comparison unit. Device may have optical radiation attenuator optically connected to second and first inputs for delivery of optical radiation. EFFECT: more effective adjustment of radiation intensity. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области оптической технике, а именно к системам регулирования и стабилизации интенсивности светового излучения, и может быть использовано для создания оптической аппаратуры различного назначения. The invention relates to the field of optical engineering, namely to systems for regulating and stabilizing the intensity of light radiation, and can be used to create optical equipment for various purposes.

Известен оптрон [1], который однако имеет низкую точность, заключающуюся в невозможности в широком динамическом диапазоне выходных интенсивностей света обеспечить определенное соотношение интенсивностей световых потоков на входе и выходе. В значительной мере искажается спектральный состав входных и выходных световых потоков. Known optocoupler [1], which however has low accuracy, which consists in the impossibility in a wide dynamic range of output light intensities to provide a certain ratio of light flux intensities at the input and output. The spectral composition of the input and output light fluxes is significantly distorted.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электрооптическое устройство регулирования интенсивности светового излучения [2], содержащее первый вход для подачи светового потока и последовательно расположенные блок управления, управляющий элемент, устройство сравнения, при этом управляющий элемент имеет первый и второй управляющие электроды, соединенные с выходом блока управления. Closest to the proposed device is an electro-optical device for controlling the intensity of light radiation [2], comprising a first input for supplying a light flux and sequentially located control unit, a control element, a comparison device, while the control element has first and second control electrodes connected to the output of the unit management.

Недостатком известного устройства являются низкие функциональные возможности, заключающиеся в невозможности получения на выходе устройства N световых потоков, интенсивности которых управляются интенсивностью входного светового потока, обеспечить режим усиления интенсивности входного светового потока, мал диапазон регулируемых интенсивностей световых потоков из-за малых ЭДС на входе управления при малых интенсивностях светового потока. Устройство сложно, так как на управляющие электроды необходимо подавать большие напряжения (более 1 кВ), что усложняет блок управления, уменьшает его быстродействие, требуются поляризаторы света. A disadvantage of the known device is its low functionality, which consists in the impossibility of receiving N light fluxes at the device output, the intensities of which are controlled by the intensity of the input light flux, to provide a mode for amplifying the intensity of the input light flux, the range of adjustable light flux intensities is small because of the small emf at the control low light intensities. The device is complicated, since it is necessary to apply large voltages (more than 1 kV) to the control electrodes, which complicates the control unit, reduces its speed, and requires light polarizers.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, упрощение повышения быстродействия. The objective of the invention is the expansion of functionality, simplification of improving performance.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагается электрооптическое устройство регулирования интенсивности светового излучения, содержащее первый вход для подачи светового потока, блок управления, первый управляющий элемент, устройство сравнения, в котором управляющий элемент выполнен в виде первого волноводного канала в ниобате лития LiNbO₃, при этом модуляция света осуществляется за счет электрооптического эффекта в ниобате лития путем подачи управляющих напряжений, для чего первый и второй управляющие электроды, нанесенные на противоположные грани первого волноводного канала, подключены соответственно к выходу блока управления и общей шине устройства, устройство сравнения выполнено как устройство сравнения интенсивности двух световых потоков, в устройство введены N≥1 вторых волноводных каналов, по конструкции аналогичных первому волноводному каналу, при этом первые управляющие электроды вторых волноводных каналов соединены между собой и с выходом блока управления, вторые управляющие электроды вторых волноводных каналов соединены между собой и с общей шиной устройства, первый вход для подачи первого светового потока является первым входом устройства сравнения, а его второй вход, на который подается второй световой поток, соединен с выходом первого волноводного канала, вход которого совместно с входами вторых волноводных каналов является вторым входом для подачи второго светового потока.The specified technical result is achieved by the fact that the proposed electro-optical device for controlling the intensity of light radiation, comprising a first input for supplying a light flux, a control unit, a first control element, a comparison device in which the control element is made in the form of a first waveguide channel in lithium niobate LiNbO ₃ , when This modulation of light is due to the electro-optical effect in lithium niobate by supplying control voltages, for which the first and second control electrodes, n carried on opposite sides of the first waveguide channel, respectively connected to the output of the control unit and the device common bus, the comparison device is designed as a device for comparing the intensity of two light fluxes, N≥1 second waveguide channels are introduced into the device, similar in design to the first waveguide channel, while the first the control electrodes of the second waveguide channels are interconnected and with the output of the control unit, the second control electrodes of the second waveguide channels are interconnected and with the device common bus, the first input for supplying the first light stream is the first input of the comparison device, and its second input, to which the second light stream is supplied, is connected to the output of the first waveguide channel, the input of which, together with the inputs of the second waveguide channels, is the second input to supply a second luminous flux.

На фиг. 1-4 представлено устройство в различных случаях выполнения; на фиг. 5 - волноводный канал; на фиг. 6 - зависимость интенсивности светового потока на выходе волноводного канала от управляющего напряжения. In FIG. 1-4 presents the device in various cases; in FIG. 5 - waveguide channel; in FIG. 6 - dependence of the intensity of the light flux at the output of the waveguide channel on the control voltage.

Устройство (фиг. 1) содержит пластину из ниобата лития 1, в которой выполнены первый 2 и N вторых 9.1-9.N волноводных каналов с входами 3, выходами 4, управляющими электродами 5 и 6 (фиг.4), первые 7 и вторые 8 (фиг.5) контакты для подачи управляющих напряжений на первые и вторые управляющие электроды, устройство сравнения интенсивности двух световых потоков 10 с входами 11 и 12 для подачи световых потоков, причем вход 11 совмещен с первым входом устройства для подачи первого светового потока, блок управления 13, второй вход 14 для подачи второго светового потока, соединитель 15, первые волоконно-оптические кабели 16.1-16.N+1, оптически-плотные переходы 17. The device (Fig. 1) contains a plate of lithium niobate 1, in which the first 2 and N of the second 9.1-9.N are made of waveguide channels with inputs 3, outputs 4, control electrodes 5 and 6 (Fig. 4), the first 7 and second 8 (Fig. 5) contacts for supplying control voltages to the first and second control electrodes, a device for comparing the intensity of two light fluxes 10 with inputs 11 and 12 for supplying light fluxes, the input 11 being combined with the first input of the device for supplying the first light flux, block control 13, the second input 14 for supplying a second light beam and, a connector 15, the first fiber-optic cables 16.1-16.N + 1, optically denser transitions 17.

Соединитель 15 соединен с входами 3 волноводных каналов 2 и 9.j через волоконно-оптические кабели 16.K. Выход волноводного канала 2 оптически соединен с вторым входом 12 устройства сравнения двух световых потоков, выход которого соединен с входом блока управления, выход которого соединен с первыми управляющими электродами 7 волноводных каналов, выходы 4 волноводных каналов 9 являются выходами устройства. The connector 15 is connected to the inputs 3 of the waveguide channels 2 and 9.j through the fiber optic cables 16.K. The output of the waveguide channel 2 is optically connected to the second input 12 of the device for comparing two light fluxes, the output of which is connected to the input of the control unit, the output of which is connected to the first control electrodes 7 of the waveguide channels, the outputs 4 of the waveguide channels 9 are the outputs of the device.

Конструктивные связи устройства на фиг.2 аналогичны конструктивным связям устройства на фиг. 1, отличием является введение первого ослабителя 19 светового потока, вход которого подключен через оптически-плотный переход 17, первый волоконно-оптический кабель с выходом соединителя, выход ослабителя 19 соединен через второй волоконно-оптический кабель 18.1 и оптически-плотные переходы 17 с входом 11 для подачи светового потока, вход 12 для подачи светового потока соединен через оптически плотные переходы 17 и второй волоконно-оптический кабель с выходом первого волноводного канала. The structural connections of the device in FIG. 2 are similar to the structural connections of the device in FIG. 1, the difference is the introduction of the first light flux attenuator 19, the input of which is connected through an optically dense transition 17, the first fiber optic cable with the output of the connector, the output of the attenuator 19 is connected through the second fiber optic cable 18.1 and the optically dense junctions 17 with the input 11 for supplying a luminous flux, the input 12 for supplying a luminous flux is connected through optically dense junctions 17 and a second fiber-optic cable to the output of the first waveguide channel.

Конструктивные связи устройства на фиг.3 аналогичны конструктивным связям устройства на фиг.1 и 2, отличием является введение второго ослабителя 20, вход которого через третий волоконно-оптический кабель 21 соединен через оптически плотные переходы 17 с выходом первого волноводного канала, а его выход через второй волоконно-оптический кабель 18.2 и оптически плотные переходы соединен с вторым входом 12. The structural connections of the device in Fig. 3 are similar to the structural connections of the device in Figs. 1 and 2, the difference is the introduction of a second attenuator 20, the input of which through the third fiber-optic cable 21 is connected through optically dense junctions 17 to the output of the first waveguide channel, and its output through the second fiber optic cable 18.2 and optically dense junctions are connected to the second input 12.

Конструктивные связи и нумерация устройства на фиг.4 аналогичны конструктивным связям и нумерации устройства на фиг.3, отличием является выполнение второго ослабителя светового потока в виде волноводного канала 20, по конструкции аналогичного первому волноводному каналу, первый контакт для подачи управляющего напряжения которого подключен к второму входу 22 для подачи управляющего напряжения. The structural connections and the numbering of the device in Fig. 4 are similar to the structural connections and the numbering of the device in Fig. 3, the difference is the execution of the second attenuator of the light flux in the form of a waveguide channel 20, in a design similar to the first waveguide channel, the first contact for supplying a control voltage of which is connected to the second input 22 for supplying control voltage.

Конструктивные связи и нумерация волноводного канала на фиг.5 описаны в устройстве на фиг.1. Structural communications and the numbering of the waveguide channel in figure 5 are described in the device in figure 1.

На фиг. 6 приведена зависимость относительного изменения интенсивности света на выходе волноводного канала от относительного изменения управляющего напряжения. In FIG. Figure 6 shows the dependence of the relative change in the light intensity at the output of the waveguide channel on the relative change in the control voltage.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Волноводные каналы 2 и 9, выполненные в пластине из ниобата лития, представляют собой электрооптическую систему, использующую электрооптический эффект, т.е. возникновение оптической анизотропии у прозрачного изотропного твердого диэлектрика при помещении его на внешнее электрическое поле. При воздействии однородного электрического поля, прикладываемого между управляющими электродами 5 и 6, диэлектрик поляризуется и приобретает оптические свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает по направлению с вектором E напряженности поля управляющего сигнала. The waveguide channels 2 and 9, made in a plate of lithium niobate, are an electro-optical system using the electro-optical effect, i.e. the occurrence of optical anisotropy in a transparent isotropic solid dielectric when placed on an external electric field. When a uniform electric field is applied between the control electrodes 5 and 6, the dielectric polarizes and acquires the optical properties of a uniaxial crystal, the optical axis of which coincides in direction with the vector E of the control signal field strength.

При этом за счет эффекта полного внутреннего отражения света на выходе волноводного канала получаем световой поток с малым коэффициентом затухания. В основу работы волноводного канала положено каналирование светового пучка в тонких диэлектрических структурах и пленках. In this case, due to the effect of total internal reflection of light at the output of the waveguide channel, we obtain a luminous flux with a low attenuation coefficient. The waveguide channel is based on channeling a light beam in thin dielectric structures and films.

В режиме отсутствия управляющего напряжения на гранях волноводного канала 2 (полосковых волноводов) свет в волноводном канале не распространяется из-за сдвигов по фазе 90^o плоскости поляризации в соответствующем волноводном канале 2 и 9 и вектора напряженности электрического поля управляющего сигнала.In the absence of a control voltage on the faces of waveguide channel 2 (strip waveguides), light in the waveguide channel does not propagate due to phase 90 ^o shifts of the plane of polarization in the corresponding waveguide channel 2 and 9 and the electric field vector of the control signal.

На первый вход для подачи светового потока подается световой поток, определяющий интенсивность световых потоков на выходах устройства. Первый световой поток сравнивается в устройстве сравнения интенсивности двух световых потоков со световым потоком, поступающим с выхода первого волноводного канала, на вход которого подается второй световой поток с интенсивностью, большей интенсивности первого светового потока. At the first input for supplying the light flux, a light flux is supplied that determines the intensity of the light fluxes at the outputs of the device. The first luminous flux is compared in a device for comparing the intensity of two luminous fluxes with the luminous flux coming from the output of the first waveguide channel, the second luminous flux with an intensity higher than the intensity of the first luminous flux is fed to its input.

Блок управления (например, операционный усилитель), изменяя напряжение на управляющих электродах, устанавливает интенсивность светового потока на выходе первого волноводного канала равной интенсивности первого светового потока (напряжение управления составляет 12-60 В). Так как волноводные каналы имеют идентичную зависимость коэффициента ослабления второго светового потока от управляющего напряжения, то на выходе вторых волноводных каналов получим N световых потоков с интенсивностью света, определяемого первым световым потоком. The control unit (for example, an operational amplifier), changing the voltage at the control electrodes, sets the intensity of the light flux at the output of the first waveguide channel equal to the intensity of the first light flux (control voltage is 12-60 V). Since the waveguide channels have an identical dependence of the attenuation coefficient of the second light flux on the control voltage, then at the output of the second waveguide channels we obtain N light fluxes with the light intensity determined by the first light flux.

По сравнению с прототипом имеем расширение функциональных возможностей, заключающееся в получении на выходах устройства N потоков света, интенсивность которых управляется входным световым потоком, управление - выходным световым потоком, входным световым потоком - расширение диапазона регулируемых интенсивностей световых потоков в область малых значений, так как для обеспечения работы фотоприемника на фотодиодах требуется намного меньше интенсивности света, чем для обеспечения достаточного напряжения управления с электродов кристалла прототипа. Имеет место упрощение устройства, в частности блока управления, за счет уменьшения управляющего напряжения до 12-60 В. В прототипе необходимы напряжения свыше 1 кВ, что существенно усложняет устройство. Не требуются поляризаторы света. Возможно обеспечить большее быстродействие из-за меньшего на порядок уровня напряжений управления. Compared with the prototype, we have an extension of functionality that consists in obtaining N light streams at the device outputs, the intensity of which is controlled by the input light flux, control by the output light flux, and the input light flux — expanding the range of adjustable light flux intensities in the region of small values, since To ensure the operation of the photodetector on photodiodes, much less light intensity is required than to ensure sufficient control voltage from the crystal electrodes la prototype. There is a simplification of the device, in particular the control unit, by reducing the control voltage to 12-60 V. In the prototype, voltages above 1 kV are required, which significantly complicates the device. No light polarizers required. It is possible to provide higher performance due to a lower level of control voltage levels.

Работа устройства на фиг. 2 аналогична работе устройства на фиг.1. Отличием является введение первого ослабителя светового потока, определяющего световой поток на первом входе устройства. При выполнении его с регулируемым коэффициентом ослабления получаем на выходе световой поток, регулируемый путем изменения коэффициента передачи первого ослабителя светового потока, что расширяет функциональные возможности устройства. The operation of the device in FIG. 2 is similar to the operation of the device in figure 1. The difference is the introduction of the first light flux attenuator, which determines the light flux at the first input of the device. When performing it with an adjustable attenuation coefficient, we obtain a luminous flux at the output, which is adjustable by changing the transmission coefficient of the first luminous flux attenuator, which extends the functionality of the device.

При выполнении первого ослабителя 19 в виде волноводного канала получаем на выходе устройства N=1 световых потоков, модулируемых в соответствии с формой управляющего напряжения. When performing the first attenuator 19 in the form of a waveguide channel, we obtain at the output of the device N = 1 light flux modulated in accordance with the shape of the control voltage.

Работа устройства на фиг. 3 аналогична работе устройства на фиг.1. Отличием является введение второго ослабителя светового потока на выходе первого волноводного канала, что позволяет получить на выходе устройства световой поток с интенсивностью света в K раз больше, чем интенсивность света на первом входе устройства 11. Здесь K - коэффициент ослабления второго ослабителя. Это позволяет использовать данное устройство как усилитель светового потока с заданным, строго фиксированным коэффициентом усиления светового потока, что существенно расширяет функциональные возможности устройства. The operation of the device in FIG. 3 is similar to the operation of the device in figure 1. The difference is the introduction of a second light flux attenuator at the output of the first waveguide channel, which makes it possible to obtain a light flux with a light intensity K times greater than the light intensity at the first input of device 11. Here, K is the attenuation coefficient of the second attenuator. This allows you to use this device as an amplifier for luminous flux with a given, strictly fixed gain of the luminous flux, which significantly expands the functionality of the device.

При выполнении второго ослабителя 20 в виде волноводного канала (фиг.4) получаем усилитель интенсивности светового потока с регулируемым коэффициентом усиления, определяемым напряжением, подаваемым на контакт 22. When performing the second attenuator 20 in the form of a waveguide channel (Fig. 4), we obtain an amplifier of the light flux intensity with an adjustable gain determined by the voltage supplied to contact 22.

Предлагаемое устройство имеет большие функциональные возможности, более высокое быстродействие и более широкий динамический диапазон регулируемых интенсивностей света по сравнению с прототипом. The proposed device has great functionality, higher speed and a wider dynamic range of adjustable light intensities compared to the prototype.

Claims

1. Electro-optical device for controlling the intensity of optical radiation, comprising a first input for supplying optical radiation, a sequentially arranged comparison device, a control unit and a control element with first and second control electrodes connected to the comparison device, the first control electrode being connected to the output of the control unit, characterized the fact that the element is made in the form of a plate of lithium niobate with the first waveguide channel located in it, on the opposite sides of which the first and second control electrodes are applied, and the second waveguide channels coinciding in design with the first N≥ 1, on the opposite edges of which are applied the first and second control electrodes of the second channels, the first control electrodes of the first and second channels are connected to each other, the second control electrode the first channel is connected to the common bus of the device, the second control electrodes of the second channels are connected to each other and to the common bus of the device, in addition, the first input for supplying an optical radiation is combined with the first input of the comparison device, and the output of the first waveguide channel is connected to the second input of the comparison device, and the inputs of the first and second waveguide channels are the second input for supplying optical radiation with a uniform intensity distribution over the input.

2. The device according to claim 1, characterized in that it comprises an optical radiation attenuator optically coupled to the second and first inputs for supplying optical radiation.

3. The device according to claim 2, characterized in that the attenuator is made in the form of a third waveguide channel in the lithium niobate plate, which coincides with the first in design.