RU2200969C2 - Многоканальный оптический волновод (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение используется в оптическом приборостроении, включая нелинейную и волоконную оптику, медицинскую оптику, микроскопию, оптику полупроводников и сегнетоэлектриков, спектроскопию и метрологию, физику фотонных кристаллов и фотохимию. Волновод состоит из двух или нескольких совмещенных плоских пластин, выполненных из стекла или кристаллического или пластического материала, оптически прозрачного для ультрафиолетового, видимого, инфракрасного или микроволнового излучения. По первому варианту одна из пластин выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, содержащей на своей лицевой поверхности несколько сотен или тысяч параллельных штрихов-каналов, имеющих заданный профиль (треугольный, прямоугольный или иной), ширину и периодичность (~0,3 - 10-20 мкм и более). Вторая пластина своей оптически плоской поверхностью наложена на первую пластину, образуя один ряд периодически расположенных каналов, сквозных или заполненных заданным оптически прозрачным веществом. По второму варианту на лицевой плоскости первой пластины выполнено несколько групп штрихов-каналов, причем каждая группа штрихов отличается друг от друга по своим параметрам, а после наложения на нее второй плоской пластины образуются несколько отдельных однорядных волноводов, различающихся по своим оптико-физическим характеристикам. По третьему варианту волновод состоит из двух пластин, каждая из которых выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки. Пластины совмещены друг с другом "штрихованными" поверхностями с образованием двух рядов дыр-каналов заданного профиля, размера, периодичности. По четвертому варианту на лицевых поверхностях обеих пластин взаимно согласованно выполнены отдельные группы штрихов-каналов, а при совмещении лицевых поверхностей этих пластин образуется несколько отдельных двухрядных многоканальных волноводов, различающихся по своим оптико-физическим характеристикам. По пятому варианту волновод выполнен в виде пакета из двух наружных пластин и заданного количества промежуточных пластин-решеток, при взаимном совмещении которых образуется многоканальный многорядный оптический волновод. Обеспечено повышение оптических характеристик волноводов. 5 c. и 20 з. п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области оптических технологий и предназначено для научных исследований и технического применения в нелинейной оптике, в оптической метрологии, в спектроскопии, в волоконной оптике и в передаче информации, в медицинской оптике, в микроскопии, в физике фотонных кристаллов, в фотохимии.

Многоканальный (дырчатый) оптический волновод, впервые созданный в 1996 г. , представляет собой периодический набор герметически сплавленных между собой полых стеклянных волокон (Knight J.C. et al., Optics Letters, 1996, v. 21, р. 1547; Желтиков А. М. Дырчатые волноводы, УФН, 2000, т.170, 11, с. 1203). Одно из назначений многоканальных волноводов связано с возможностью реализации в них одномодовых режимов распространения излучения в широкой спектральной области, а также с возникновением в них т.н. "фотонных запрещенных зон", что представляет научный и практический интерес.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является многоканальный волновод, выполненный в виде стеклянной оболочки-матрицы, имеющей в себе упорядоченную группу каналов (дыр), причем каналы могут быть сквозными (воздушными) или заполненными оптически прозрачным веществом (Алфимов М.В. и др. Письма в ЖЭТФ, 2000, т. 71, с.714; А.М. Желтиков, Дырчатые волноводы, УФН, 2000, т. 170, 11, с.1203).

Для изготовления волновода-аналога использовали стеклянную трубку с внутренним цилиндрическим каналом ~1 мм, разрезанную на части. Отрезки складывали в пучок, пучок нагревали до температуры плавления стекла и вытягивали таким образом, чтобы образовался пучок вместе сплавленных, но более тонких капилляров. Пучок вновь разрезали, отрезки складывали в новый пучок и многократно повторяли процедуру. В результате образовался многоканальный волновод в виде сплавленной стеклянной оболочки-матрицы примерно цилиндрической формы, содержащей в себе многочисленные и весьма тонкие каналы. Диаметры каналов и периодичность их расположения могли варьироваться от ~30 мкм до ~ 0,3-0,5 мкм.

Недостатком конструкции является то, что подобные волноводы могут изготавливаться только из стекла, хотя есть потребность в волноводах из материалов с другими оптико-физическими свойствами. Например, вышеописанным способом невозможно изготовить волновод из кристаллических оптических материалов (например, из CaF₂ или кристаллического кварца) или из пластиков (например, из полиэтилена).

Форма и периодичность каналов получаются не очень точными. Это является следствием того, что невозможно идентично выполнять многократные нагревы, спекания и вытягивания капиллярных пучков. В то же время хорошая периодичность необходима для возникновения в волноводе т.н. "фотонных запрещенных зон".

Качество исполнения входного торца у волновода-аналога является неудовлетворительным, приводящим к большим потерям света на входе в волновод.

Каналы волновода-аналога могут быть заполнены только маловязкими жидкостями, так что ассортимент жидкостей-заполнителей весьма ограничен.

Задачей заявленного изобретения является создание многоканального оптического волновода, имеющего каналы идентичной формы и размера, периодически расположенные относительно друг друга. При этом глубина (ширина) и периодичность каналов могли бы варьироваться от ~0,2-0,3 мкм до ~10-20 мкм и более, а их длина могла бы достигать 20÷300 мм. Кроме того, волновод должен изготавливаться как из стекла, так и из других оптически прозрачных материалов, представляющих важность по своим техническим и оптико-физическим свойствам.

Поставленная задача решается в предложенных вариантах изобретения за счет использования особых пластин, выполненных в виде оптических плоских отражательных дифракционных решеток и изготовленных из оптически прозрачных материалов.

Дифракционные решетки широко используются в оптических приборах (спектрофотометры, спектрографы, лазеры, монохроматоры) и изготавливаются оптической индустрией. Решетка представляет собой прямоугольную пластину, изготовленную из стекла или металла или иного пригодного материала, лицевая сторона которой тщательно отполирована и является плоской по оптическим стандартам. На лицевой стороне выполнены (нарезаны) несколько сотен или тысяч параллельных идентичных "штрихов", например, треугольного поперечного профиля (в оптике используется термин "штрихи"; применительно к волноводам мы будем называть их штрихами-каналами или каналами; штрихи-каналы нарезаются специальным алмазным резцом на т.н. делительных машинах). Существуют различные стандарты решеток, отличающиеся числом штрихов, нарезанных на 1 мм ширины пластины (от ~50 до ~3600 штр/мм, т.е. с шириной штриха от ~20 до ~ 0,3 мкм, но существуют также "редкие" штриховые стандарты, 2÷40 штр/мм, т.е. с шириной штриха 500÷25 мкм, используемые для микроволновой области спектра), по габаритным размерам (от ~20 до ~300 мм по длине и ширине, и ~ 3÷20 мм по толщине), по материалу (металлическая пластина; тонкий металлический слой на стеклянной пластине; стеклянная пластина; слой пластического материала, закрепленного на стеклянной или иной пластине, на котором формируют т. н. решетки-реплики в виде "отпечатка" или/и "отливки" с решетки-матрицы).

Дифракционные решетки обычно выполняются с треугольным профилем штрихов, но таким же способом изготавливаются штрихи другой формы (прямоугольной, синусоидальной и т.д.), используя алмазный резец соответствующего профиля. Технически возможна нарезка штрихов-каналов заданной формы и размера на пластине, выполненной как из стекла, так и из кристаллического оптического материала (например, CaF₂ или германий), из керамики, из "жестких" пластиков. При этом пластина может быть выполнена полностью из этого материала, либо материал закреплен в виде слоя-пластины на каркасной пластине из другого вещества. Технически возможно формирование (прессование, литье) решеток-реплик из пластических материалов, пригодных для заявленных целей как по пластическим, так и по оптико-физическим свойствам, причем из данного пластика может быть изготовлена вся пластина или плоский слой пластика закреплен на каркасной пластине (Пейсахсон И.В., Оптика спектральных приборов, Машиностроение, Л. , 1975, сс.52-64, Приложение 2, Таб. П2; Лебедева В.В., Техника оптической спектроскопии. МГУ, М., 1986, сс.219-220; Физическая Энциклопедия, БСЭ, М., 1986, т.1, с.657).

Под оптически прозрачным материалом понимается материал, полностью или частично пропускающий ультрафиолетовый свет (~0,2÷~0,4 мкм), или/и видимый свет (~ 0,4÷~ 0,8 мкм), или/и ближний (~0,8÷~2 мкм), или/и средний (~2÷~10 мкм), или/и дальний (~10÷~100 мкм) инфракрасный свет, или/и микроволновое излучение (~100÷~500 мкм). Под пластическим материалом (пластиком) понимаются синтетические полимерные вещества (полиэтилен, полистирол и т.п.) или керамические вещества или относительно легкоплавкие стекла. Материал может быть термообратимым (размягчающийся при нагреве и отвердевающий при остывании, например, полиэтилен, стекло) или термонеобратимым (изначально жидкая или высокопластичная масса, но после полимеризации или спекания уже не размягчается; примерами служат полимеризующаяся эпоксидная композиция и керамическая глина).

Под оптически плоской поверхностью понимается хорошо отполированная плоская поверхность пластины, причем ее микронеровности не превышают заданного оптического критерия (например, они должны быть меньше λ/10, где λ - длина волны излучения).

Заявленный многоканальный оптический волновод, как и волновод-прототип, представляет собой оптически прозрачную оболочку-матрицу с периодически расположенными в ней каналами. Отличие от прототипа заключается в конструктивном исполнении оболочки-матрицы и каналов за счет использования специальных плоских пластин и пластин-решеток.

По первому варианту оболочка-матрица содержит две плоские пластины, при этом первая пластина выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, т.е. на лицевой оптически плоской поверхности пластины выполнено несколько сотен или тысяч идентичных параллельных штрихов-каналов с заданными поперечным профилем, размером и периодичностью. Вторая пластина своей лицевой оптически плоской поверхностью совмещена (наложена) с лицевой "штрихованной" поверхностью первой пластины, совместно образуя оболочку-матрицу с идентичными волноводными каналами, расположенными в виде одного ряда (слоя). Вторая пластина может покрывать "штрихованную" поверхность первой пластины полностью или частично (в последнем случае элементом волновода будет служить только часть пластины-решетки). Передние плоские полированные торцы обеих пластин совмещены с образованием общего плоского входного торца волновода.

Предложена модификация конструкции волновода, отличающаяся формами штрихов-каналов на пластине-решетке (треугольный поперечный профиль, прямоугольный, трапециевидный, полукруглый или синусоидальный). Предложены три модификации волновода, отличающиеся материалами, из которых изготовлены пластина-решетка и/или совмещаемая с ней пластина. В качестве материалов предложено использовать оптически прозрачные стекла, кристаллы или пластические вещества, подходящие для заявленных целей по механическим и оптико-физическим свойствам.

По второму варианту оболочка-матрица выполнена из двух пластин, причем первая их них устроена таким образом, что на ее лицевой оптически плоской поверхности нарезано несколько отдельных групп штрихов-каналов с заданными для каждой из групп формой, размером и периодичностью. Фактически на пластине выполнено несколько отдельных различающихся друг от друга оптических плоских отражательных дифракционных решеток. Вторая пластина лицевой оптически плоской поверхностью наложена на "штрихованную" поверхность первой пластины с образованием нескольких отдельных многоканальных однорядных волноводов, чьи оптико-физические характеристики отличаются друг от друга. Таким образом, образуется комбинированный оптический волновод, выполненный в виде единого изделия.

Предложены четыре модификации данной конструкции волновода, отличающиеся формой штрихов-каналов и материалом пластин.

По третьему варианту оболочка-матрица состоит из двух пластин, каждая из которых выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, и при совмещении "лицом к лицу" штрихованных поверхностей этих пластин образуется многоканальный волновод, имеющий два ряда (слоя) каналов.

Предложены пять модификаций данной конструкции волновода, отличающиеся формой штрихов-каналов и материалом пластин.

В четвертом варианте оболочка-матрица, так же как и в третьем варианте, состоит из двух пластин-решеток, совмещенных друг с другом лицевыми "штрихованными" поверхностями. Конструктивная особенность этих пластин заключена в том, что на оптически плоской лицевой поверхности каждой пластины выполнено несколько групп штрихов-каналов с заданными для каждой из групп поперечными формами, размерами и периодичностями. Таким образом, на каждой из пластин сформировано по несколько различных оптических плоских отражательных дифракционных решеток, причем расположение отдельных решеток на обеих пластинах согласовано таким образом, чтобы при совмещении пластин сформировались несколько отдельных двухрядных волноводов с различными оптико-физическими характеристиками.

Предложено три модификации данного варианта, отличающиеся формой штрихов-каналов отдельных решеток, а также материалом пластин.

Пятый вариант представляет собой многоканальный оптический волновод, имеющий в оболочке-матрице заданное количество рядов каналов. Оболочка-матрица выполнена в виде пакета из двух наружных пластин и заданного числа промежуточных пластин. Внутренняя (лицевая) оптически плоская поверхность первой наружной пластины совмещена с оптически плоской обратной поверхностью первой промежуточной пластины, имеющей на своей лицевой поверхности штрихи-каналы с заданными формой, размером и периодичностью (т.е. эта и последующие промежуточные пластины выполнены в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки). В свою очередь, оптически плоская обратная поверхность второй промежуточной пластины-решетки совмещена с лицевой "штрихованной" поверхностью первой промежуточной пластины и т.д.. Внутренняя (лицевая) оптически плоская поверхность последней наружной пластины совмещена с лицевой "штрихованной" поверхностью последней промежуточной пластины, образуя в итоге волновод, имеющий заданное число рядов (слоев) каналов.

Предложены четыре модификации волновода, отличающиеся формой штрихов-каналов, а также исполнением и материалом наружных и промежуточных пластин.

На фиг.1 схематически изображено устройство оптической дифракционной решетки, в том числе формы и размеры штрихов. На фиг.2 представлена конструкция многоканального волновода по первому варианту, включая некоторые из модификаций. На фиг.3 показан поперечный разрез комбинированного волновода по второму варианту. На фиг.4 показано устройство многоканального двухрядного волновода по третьему варианту, включая некоторые модификации. На фиг.5 изображен поперечный разрез конструкции комбинированного волновода по четвертому варианту. На фиг.6 показаны поперечные разрезы конструкции волновода по пятому варианту.

Основной элемент всех конструктивных вариантов волновода, представляющий собой пластину в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, показан па фиг. 1. Для примера здесь изображена решетка с частотой штриховки 2000 штр/мм (а). Она представляет собой пластину 1, например, размером ~ 30 мм (ширина) х ~50 мм (длина) х ~5 мм (толщина), изготовленную, например, из стекла. На ее лицевой оптически плоской стороне выполнена "штриховка" в виде параллельных штрихов-каналов 2 треугольного поперечного профиля. Приблизительные форма и размеры треугольных штрихов, а также штрихи-каналы другой формы изображены в увеличенном виде на разрезах А-А. Как показано на фронтальном виде (а), "штриховка" выполнена вдоль всей пластины, хотя на некоторых типах решеток она выполняется не по всей длине. Такие решетки желательно использовать для изготовления волноводов после обрезки "нештрихованных" концов пластин и, возможно, после дополнительной полировки их входных и выходных торцов. Можно не обрезать концы пластины, но в этом случае световая волна будет попадать в волноводную зону (и уходить из нее) не непосредственно из воздуха, но предварительно пройдет часть пути в оптически прозрачной среде (в материале пластины).

Это обстоятельство принципиально не меняет сущности волновода, но в определенных ситуациях может улучшить или ухудшить его оптико-физические свойства. Для изготовления волноводов могут быть использованы пластины-решетки со штрихами-каналами различных поперечных профилей: треугольный (а), прямоугольный (б), трапециевидный (в), полукруглый (г) и синусоидальный (д). На разрезах А-А указаны ориентировочные глубины каналов, применительно к наиболее важным спектральным областям возможного применения волноводов, от ультрафиолетовой части спектра (~0,2-0,3 мкм) до инфракрасной (~10 мкм), хотя технически возможна "нарезка" штрихов с большей глубиной. Ширина штрихов-каналов и их периодичность изображены условно, имея в виду, что технически их можно варьировать от десятых долей микрона до нескольких десятков или сотен микронов.

Оптический волновод по первому варианту (фиг.2) содержит плоскую пластину 1, выполненную в виде дифракционной решетки, имеющей штрихи-каналы 2, например, треугольного (а) или прямоугольного профиля (б). Размеры штрихов-каналов и их периодичность задаются, исходя из спектрального диапазона. На лицевую "штрихованную" поверхность пластины-решетки 1 наложена своей оптически плоской поверхностью вторая пластина 3 с образованием волноводных каналов 2, расположенных в один ряд (слой). По крайней мере один из торцов пластины 1 выполнен плоским и отполированным, причем его плоскость должна быть перпендикулярна направлению штрихов-каналов (этот торец называется "входным"). В определенных ситуациях может оказаться желательным иметь "косое" направление штрихов-каналов относительно входного торца, например, под углом Брюстера. Тогда входной торец пластины 1 (и, желательно, выходной торец), а также входной (и, желательно, выходной) торец пластины 3 должны быть предварительно обрезаны и отполированы под заданным углом. Входной торец пластины 3 совмещен с входным торцом пластины 1, образуя общий входной торец волновода (перпендикулярный к направлению каналов или под заданным углом). Качество общего входного торца волновода при этом может быть высоким, так как полировка торцов обеих пластин выполняется заранее, а для совмещения торцов может быть использована пьезоэлектрическая техника микроскопических перемещений. Пластина 3 может покрывать как всю "штрихованную" поверхность пластины 1 (а, б), так и только ее часть (в).

Волновод по второму варианту (фиг.3) содержит пластину 1, у которой на разных участках лицевой поверхности выполнены несколько отдельных решеток. Каждая решетка отличается от другой по форме и/или размеру и/или периодичности штрихов-каналов 2. Пластина 3 совмещена со всеми "штрихованными" участками (т.е. отдельными решетками), образуя заданное число отдельных многоканальных однорядных волноводов, которые различаются по своим оптико-физическим свойствам (на фиг.3 они условно отделены друг от друга пунктирными линиями). Каждый из отдельных участков-волноводов может иметь весьма малые входные размеры, например, ~ 0,1-0,2 мм (но на этом расстоянии умещаются 10÷100 каналов) и, например, три волновода могут совместно занимать ~0,3-0,6 мм. Таким образом, можно одновременно или последовательно фокусировать световой импульс на их входы, исследуя влияние форм, размеров и периодичности каналов на оптико-физические процессы в волноводах.

Волновод по третьему варианту конструкции волновода (фиг.4) состоит двух пластин-решеток 1 и 4, совмещенных "штрихованными" лицевыми плоскостями. В качестве примера изображены одинаковые решетки 1 и 4, имеющие штрихи-каналы прямоугольной формы с заданной периодичностью (а). При совмещении этих пластин-решеток образуются два ряда (слоя) идентичных каналов 2, а их относительная периодичность задается периодичностью каналов каждой из решеток, а также заданным поперечным "сдвигом" каналов одной пластины-решетки (т.е. одного ряда) относительно каналов другой решетки. В модификации волновода (б), в зависимости от формы, размера и периодичности штрихов-каналов каждой из пластин-решеток, получен волновод со сложным распределением волноводных каналов (в одном ряду каналы треугольной формы, во втором ряду - прямоугольной). Заметим, что обеспечить строго периодическое взаимное расположение рядов каналов по всей ширине пластин-решеток невозможно из-за неизбежных погрешностей штрихов-каналов. Однако, в силу высокой точности технологии изготовления дифракционных решеток (погрешность изготовления много меньше 1%), всегда будут существовать участки с хорошей периодичностью (содержащие десятки-сотни каналов подряд на каждом), что является достаточным для оптической работоспособности волновода.

Волновод по четвертому варианту (фиг.5) состоит из пластин 1 и 4, совмещенных друг с другом своими лицевыми плоскостями. При этом на лицевой поверхности каждой из пластин выполнены отдельные решетки со штрихами заданной формы, размера и периодичности, причем расположение отдельных решеток по ширине пластин взаимно согласовано для обеих пластин. В результате совмещения лицевых "штрихованных" плоскостей этих пластин формируется волновод, содержащий несколько различающихся волноводов с волноводными каналами 2, расположенными в виде двух рядов (на фиг.5 различные волноводы условно отделены друг от друга пунктирной линией).

Волновод по пятому варианту (фиг.6а) имеет заданное количество рядов (слоев) волноводных каналов. Он состоит из двух наружных пластин 5 и 6, между которыми размещены промежуточные пластины-решетки 7, выполненные в виде оптических плоских отражательных дифракционных решеток со штрихами-каналами 2 заданной формы, размера и периодичности. С внутренней (лицевой) плоской поверхностью первой наружной пластины 5 совмещена обратная плоскость первой промежуточной пластины-решетки 7, лицевая "штрихованная" поверхностью которой совмещена с обратной плоскостью второй промежуточной пластины-решетки, и так далее (на фиг.6а условно показаны три промежуточные пластины-решетки). Лицевая "штрихованная" плоскость последней промежуточной пластины-решетки совмещена с внутренней (лицевой) плоскостью последней наружной пластины 6. В результате образуется многорядный многоканальный волновод, имеющий заданное количество рядов (слоев) волноводных каналов. В модификации (б) данной конструкции волновода первая наружная пластина 5 выполнена в виде пластины-решетки, содержащей па своей лицевой плоскости штрихи-каналы заданных параметров.

Все заявленные варианты волноводов, так же как и волновод-аналог, могут иметь либо сквозные (воздушные) каналы, либо заполненные подходящим оптически прозрачным веществом. Для примера, волновод по пятому варианту (фиг.6) изображен с заполненными каналами.

Волноводы в каждом варианте исполнения могут иметь вспомогательные наружные пластины, которые не являются рабочими элементами волновода, но служат ему защитной оболочкой, придающей всему изделию жесткость, тепло- и светоизоляцию и т.п.. В соответствии с конкретными условиями они могут быть выполнены из стекла, металла, пластика или иного материала.

Способ изготовления волноводов по заявленным конструктивным вариантам основан на существующей технологии производства оптических дифракционных решеток, включая изготовление как пластин-решеток 1, так и совмещаемых с ними оптически плоских пластин 3. В случае необходимости, для обеспечения оптически герметичного контакта между вершинками штрихов-каналов 2 пластины-решетки 1 и совмещаемой с ними поверхностью пластины 3 лицевая плоскость пластины 3 может быть покрыта тонкой пленкой иммерсионной жидкости.

Волновод по пятому варианту может быть, например, изготовлен в следующей последовательности.

На вспомогательной защитной пластине (на фиг.6 она не показана) подходящих размеров формируют первую наружную пластину 5, например, нанесением на защитную пластину слоя оптически прозрачного пластического материала, его нагреванием до размягчения и формированием (прессованием) пластины-слоя с плоской лицевой поверхностью. Толщина пластины 5 может быть выбрана весьма произвольно, не слишком тонкой (она должна быть много больше длины волны излучения) и не слишком толстой (излишние габаритные размеры).

Аналогичным способом на пластине 5 формируют первую промежуточную пластину-решетку 7 в виде слоя пластического материала с "отпечатанной" на нем решеткой-репликой с заданной формой, размером и периодичностью штрихов-каналов. Толщину промежуточной пластины-решетки 7 устанавливают в заданных пределах, в зависимости от назначения волновода. В данном контексте эта величина характеризует периодичность рядов каналов, и она должна быть сопоставимой с длиной волны излучения. Можно полагать, что толщина будет варьироваться от ~ 1 мкм до ~10-20 мкм (если ориентироваться на наиболее важные диапазоны света), но для микроволнового излучения она может достигать 50÷500 и более микрон. Малая толщина пластин-решеток обеспечивается как пластическими свойствами материала-пластика, так и точными перемещениями решетки-матрицы, выполняемыми с помощью техники микроскопических перемещений.

Штрихи-каналы 2 первой пластины-решетки 7 заполняют заданным жидким веществом-заполнителем, которое затем должно отвердевать, например, полимеризоваться. Отвердевшее вещество в штрихах-каналах необходимо для того, чтобы не было их деформации при формировании второго пластикового слоя со второй решеткой-репликой. Это вещество должно быть оптически прозрачным в заданной области спектра и обладать заданными оптико-физическими свойствами.

На "заполненную" первую пластину-решетку (точнее на вершинки ее штрихов-каналов) налагается вспомогательная оптически плоская пластина (на фиг.6 она не изображена), которая вытесняет избыток жидкости за пределы пластины-решетки. Вспомогательная пластина может быть изготовлена, например, из стекла, но она должна быть покрыта тонкой пленкой, например, масла, которое препятствуют "склеиванию" пластины с веществом-заполнителем.

По мере отвердевания вещества (скорость отвердевания можно регулировать температурой) вспомогательную пластину убирают и на образовавшуюся ровную поверхность наносят второй тонкий слой пластика, на котором формируют вторую решетку-реплику 7. Ее штрихи-каналы заполняют жидким заполнителем и повторяют вышеописанные процедуры до тех пор, пока не сформируют заданное число промежуточных пластин-решеток.

На последнюю промежуточную пластину-решетку с заполненными штрихами наносят пластиковый слой и формируют последнюю наружную пластину 6 примерно той же толщины, что и первая пластина 5.

При необходимости, на наружной пластине 6 закрепляют защитную пластину.

Неровные края изделия обрезают (до закрепления защитной пластины или после); входной и выходной торцы изделия шлифуют и полируют (механическим, химическим, термическим способом.

При необходимости, весьма широкое (например, 20÷100 мм) и длинное (20÷300 мм) изделие разрезают на более узкие (например, ~1 мм) и более короткие (например, ~5÷20 мм) волноводы, но содержащие в себе достаточное число каналов. Заметим, что суммарная толщина многорядного волновода по пятому варианту, изготовленного данным способом и содержащего 50-100 промежуточных пластин-решеток толщиной ~5-10 мкм каждая, будет равной ~1-2 мм.

Заявленные конструкции многоканальных волноводов имеют треугольную, прямоугольную, полукруглую или иную форму каналов, в отличие от волновода-аналога, имеющего каналы (почти) кругового сечения. Хотя круглая форма могла быть предпочтительной из-за того, что решения уравнений Максвелла для распространения излучения в каналах цилиндрической симметрии проще, чем для каналов треугольной формы, однако устройство с любыми каналами может работать как волновод, так как свет может проходить через каналы любой формы. Более того, каналы прямоугольной формы, с математических позиций, могут быть предпочтительнее, чем круговые.

Волновод по первому варианту является однорядным изделием, но даже одномерно-периодическое чередование каналов может выразиться в весьма широкой спектральной области существования одномодового излучения и, возможно, в появлении фотонных запрещенных зон. Действительно, коррелированные (когерентные) явления для электромагнитной волны-света наиболее существенны на расстояниях, сравнимых с длиной волны. Поэтому неважно, что в волноводе-аналоге есть десятки или сотни рядов каналов, так как для световой волны важно лишь чередование весьма небольшой группы соседних каналов. В этом смысле, в волноводе по третьему варианту вводится второе направление чередования каналов, а в волноводе по пятому варианту уже фактически сформировано их двумерное чередование.

Стекло, используемое в волноводе-аналоге, обладает набором оптико-физических свойств, обеспечивающих волноводу качества, необходимые в указанных областях его применения. Очевидно, что другие оптические материалы (различные типы стекол, кристаллы, керамики, пластики) будут также обеспечивать эти или дополнительные качества и, следовательно, расширение ассортимента материалов для изготовления волноводов является практически важным. Разнообразные физические свойства материалов (спектральный диапазон пропускания света, коэффициент преломления, аморфная или кристаллическая структура, наличие примесей и т.п.) могут проявиться в характере распространения света в волноводах, выполненных из этих материалов. Например, появляется возможность исследовать распространение света в многоканальных волноводах, выполненных из оптически анизотропных, т.е. двулучепреломляющих кристаллов (кристаллический кварц и многие другие вещества). Имеется необычная возможность изучать распространение (инфракрасного или микроволнового) света в многоканальном волноводе, изготовленном из пластин полупроводникового материала, например из германия. То же самое относится к потенциальным волноводам из сегнетоэлектриков, сегнетополупроводников или сегнетофотополупроводников (ВаТiO₃, GeTe, SnTe и другие), или для волновода, выполненного из оптически прозрачного пластика (фторопласт, полистирол и другие).

Заполнение каналов волновода прозрачным веществом приводит к изменению коэффициента преломления в объеме каналов, что улучшает условия для достижения режима одномодового распространения излучения.

Из теории следует, что коэффициент преломления вещества-заполнителя должен быть близок к коэффициенту преломления материала оболочки-матрицы. Для решеточного многоканального волновода, выполненного из материала с большим коэффициентом преломления (KRS-5 ~2,4; сапфир ~1,75; германий ~4; титанат бария ~2,4), трудно найти подходящую невязкую жидкость для заполнения каналов изделия.

Поскольку заявленные волноводы являются составными (разборными) изделиями, то для заполнения открытых штрихов-каналов можно использовать как маловязкие, так и высоковязкие жидкости (в т.ч. "жидкие кристаллы"), расплавленные полимеры и полимеризующиеся жидкие композиции, например эпоксидные смолы. Для заполнения открытых штрихов-каналов можно также применять легкоплавкие стекла (мышьяковистое трехсернистое стекло, коэффициент преломления ~ 2,5, размягчается при ~210^oС; селенисто-мышьяковистое стекло, ~2,5, ~ 70^oС) или, возможно, кристаллические материалы, "выращенные" непосредственно в штрихах-каналах решетки.

Claims (25)

1. Многоканальный оптический волновод, содержащий оптически прозрачную оболочку-матрицу с периодически расположенными в ней каналами, отличающийся тем, что оболочка-матрица выполнена в виде двух совмещенных плоских пластин, одна из которых выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, имеющей на плоской лицевой поверхности параллельные идентичные штрихи-каналы заданных поперечного профиля, размера и периодичности, а вторая пластина выполнена с плоской лицевой поверхностью, причем пластины совмещены лицевыми поверхностями с образованием между ними одного ряда идентичных каналов.

2. Многоканальный оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что штрихи-каналы пластины-решетки имеют поперечный профиль треугольной, или прямоугольной, или трапециевидной, или полукруглой, или синусоидальной формы.

3. Многоканальный оптический волновод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вторая пластина выполнена из стеклянного, или кристаллического, или пластического материала.

4. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пластина-решетка выполнена путем нарезки штрихов-каналов на лицевой поверхности пластины из стеклянного, или кристаллического, или пластического материала.

5. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пластина-решетка выполнена в виде решетки-реплики на лицевой поверхности пластины из пластического материала.

6. Многоканальный оптический волновод, содержащий оптически прозрачную оболочку-матрицу с периодически расположенными в ней каналами, отличающийся тем, что оболочка-матрица выполнена в виде двух совмещенных плоских пластин, при этом на плоской лицевой поверхности первой пластины выполнено заданное количество отдельных решеток, причем каждая решетка выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, отличающейся одна от другой по поперечному профилю, размеру и периодичности штрихов-каналов, а вторая пластина выполнена с плоской лицевой поверхностью, при этом пластины совмещены лицевыми поверхностями с образованием между ними заданного количества отдельных однорядных волноводов с различными оптическими свойствами.

7. Многоканальный оптический волновод по п. 6, отличающийся тем, что штрихи-каналы решеток на первой пластине имеют поперечный профиль треугольной, или прямоугольной, или трапециевидной, или полукруглой, или синусоидальной формы.

8. Многоканальный оптический волновод по п. 6 или 7, отличающийся тем, что вторая пластина выполнена из стеклянного, или кристаллического, или пластического материала.

9. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что первая пластина выполнена путем нарезки штрихов-каналов отдельных решеток на лицевой поверхности пластины из стеклянного, или кристаллического, или пластического материала.

10. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что первая пластина выполнена в виде отдельных решеток-реплик на лицевой поверхности пластины из пластического материала.

11. Многоканальный оптический волновод, содержащий оптически прозрачную оболочку-матрицу с периодически расположенными в ней каналами, отличающийся тем, что оболочка-матрица выполнена в виде двух совмещенных плоских пластин, каждая из которых выполнена в виде плоской отражательной дифракционной решетки, имеющей на оптически плоской лицевой поверхности параллельные идентичные штрихи-каналы заданных поперечного профиля, размера и периодичности, причем обе пластины совмещены лицевыми поверхностями с образованием между ними двух рядов каналов.

12. Многоканальный оптический волновод по п. 11, отличающийся тем, что штрихи-каналы пластин-решеток имеют поперечный профиль треугольной, или прямоугольной, или трапециевидной, или полукруглой, или синусоидальной формы.

13. Многоканальный оптический волновод по п. 11 или 12, отличающийся тем, что каждая пластина-решетка выполнена путем нарезки штрихов-каналов на лицевой поверхности пластины из стеклянного, или кристаллического, или пластического материала.

14. Многоканальный оптический волновод по п. 11 или 12, отличающийся тем, что каждая пластина-решетка выполнена в виде решетки-реплики на лицевой поверхности пластины из пластического материала.

15. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 11-14, отличающийся тем, что пластины-решетки имеют одинаковые или различающиеся по поперечному профилю, размеру и периодичности штрихи-каналы.

16. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 11-15, отличающийся тем, что пластины-решетки выполнены из одинакового или различного материала.

17. Многоканальный оптический волновод, содержащий оптически прозрачную оболочку-матрицу с периодически расположенными в ней каналами, отличающийся тем, что оболочка-матрица выполнена в виде двух совмещенных плоских пластин, при этом на плоской лицевой поверхности каждой пластины выполнено заданное количество отдельных решеток, причем каждая решетка выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки, отличающейся одна от другой по поперечному профилю, размеру и периодичности штрихов-каналов, и расположение отдельных решеток на обеих пластинах взаимно согласованно, причем пластины совмещены лицевыми поверхностями с образованием между ними заданного количества отдельных двухрядных волноводов с различными оптическими свойствами.

18. Многоканальный оптический волновод по п. 17, отличающийся тем, что штрихи-каналы решеток на каждой пластине имеют поперечный профиль треугольной, или прямоугольной, или трапециевидной, или полукруглой, или синусоидальной формы.

19. Многоканальный оптический волновод по п. 17 или 18, отличающийся тем, что каждая пластина выполнена путем нарезки штрихов-каналов отдельных решеток на лицевой поверхности пластины из стеклянного, или кристаллического, или пластического материала.

20. Многоканальный оптический волновод по п. 17 или 18, отличающийся тем, что каждая пластина выполнена в виде отдельных решеток-реплик на лицевой поверхности пластины из пластического материала.

21. Многоканальный оптический волновод, содержащий оптически прозрачную оболочку-матрицу с периодически расположенными в ней каналами, отличающийся тем, что оболочка-матрица выполнена в виде пакета из двух наружных и заданного количества промежуточных плоских пластин, образующих при совмещении заданное количество рядов каналов, причем каждая промежуточная пластина выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки с заданными поперечным профилем, размером и периодичностью штрихов-каналов на плоской лицевой поверхности и с плоской обратной поверхностью, совмещаемой с лицевой поверхностью предшествующей промежуточной пластины, при этом плоская лицевая поверхность первой наружной пластины совмещена с обратной поверхностью первой промежуточной пластины, а плоская лицевая поверхность последней наружной пластины совмещена с лицевой поверхностью последней промежуточной пластины.

22. Многоканальный оптический волновод по п. 21, отличающийся тем, что первая наружная пластина выполнена в виде оптической плоской отражательной дифракционной решетки с заданными поперечным профилем, размером и периодичностью штрихов-каналов на лицевой поверхности.

23. Многоканальный оптический волновод по п. 21 или 22, отличающийся тем, что штрихи-каналы каждой пластины-решетки имеют поперечный профиль треугольной, или прямоугольной, или трапециевидной, или полукруглой, или синусоидальной формы.

24. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 21-23, отличающийся тем, что каждая пластина-решетка выполнена в виде решетки-реплики на лицевой поверхности пластины из пластического материала.

25. Многоканальный оптический волновод по любому из пп. 21-24, отличающийся тем, что пластины-решетки имеют одинаковые или различающиеся по поперечному профилю, размеру и периодичности штрихи-каналы.

Images