RU226197U1 - Фазовый модулятор оптического излучения на основе полупроводникового волновода с бегущей волной пространственного заряда - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается фазового модулятора оптического излучения. Фазовый модулятор включает в себя источник излучения, призму ввода излучения, полупроводниковый волновод с бегущей волной пространственного заряда, призму вывода излучения, полупрозрачное зеркало, непрозрачное зеркало, источник переменного излучения. При этом последовательно расположенные источник оптического излучения, призма ввода излучения, полупроводниковый волновод, призма вывода излучения, полупрозрачное зеркало, интерферометр Жира-Турнуа и непрозрачное зеркало формируют кольцевую резонаторную схему, а в объеме полупроводникового волновода реализуется волна переменного тока, синхронизированная с оптическим излучением. Технический результат заключается в получении излучения с приобретенной сильной фазовой модуляцией и формировании устойчивой последовательности субпикосекундных импульсов с линейной частотной модуляцией. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к фундаментальным исследованиям в области оптики и физики лазеров, в частности, к получению оптического излучения с большой глубиной фазовой модуляции.

Распространение светового импульса в волноводе с бегущей волной изменения показателя преломления (БВПП) сопровождается рядом интересных эффектов, которые не могут наблюдаться в классических волноводных системах. Особый интерес вызывает формирование мод азимутальной шепчущей галереи [Foreman, M.R., Swaim, J.D., and Vollmer, F. Whispering gallery mode sensors. Adv. in Opt. and Photon. 2015, 7, pp. 168-240]. Их распространение вдоль поверхности цилиндрического кварцевого волокна происходит по спиральной траектории с некоторым равномерным шагом. Типичная групповая скорость спиральных волн вдоль оси волновода намного меньше скорости света в вакууме [Sychugov, V.A., Torchigin, V.P., Tsvetkov, М. Yu. Whispering-gallery waves in optical fibres. Quantum Electron. 2002, 32, no. 8, pp. 738-742] и может быть близка к скорости БВПП, что приводит к выраженному резонансному взаимодействию, приводящему к формированию регулярных последовательностей оптических импульсов.

Для реализации указанного режима распространения необходимо осуществлять ввод излучения в волновод под некоторым малым углом, практически совпадающим с поперечным сечением световода. При достаточно малых углах ввода значение продольной компоненты скорости распространения волны стремится к нулю, а в качестве БВПП рассматривается бегущая волна постоянного тока. Вместо накачки прямым током в сочетании с регулировкой входного угла через призму, можно использовать электрическую накачку переменным током, который представляет собой распространяющиеся в объеме полупроводника волны пространственного заряда (ВПЗ). В этом случае показатель преломления модулируется, и согласование между скоростями оптической волны и дрейфовыми скоростями носителей может быть достигнуто путем регулирования тока частоты. Этот метод позволяет избежать механической регулировки угла падения света призмой. ВПЗ или пространственно-временные возмущения плотности заряда могут возникнуть в полупроводниках с отрицательной дифференциальной подвижностью в условиях сильных электрических полей [A.A. Barybin, Waves in Thin-film Semiconductor Structures with Hot Electrons. Nauka, 1986]. Скорость распространения ВПЗ близка к несущей скорости дрейфа, поэтому этот эффект подходит для самосогласования скоростей поверхностной оптической волны и волны дрейфового тока. В результате возможно добиться как прямого усиления с соответствующим коэффициентом G>10⁵ м^-1, так и глубокой фазовой модуляции волновых пакетов при их синхронизации с реализуемой ВПЗ. При этом, в ближнем ИК диапазоне могут быть получены большие частоты модуляции электромагнитного излучения, вплоть до терагерцовых значений. Глубина модуляции ДП при этом существенно превышает единицу.

В предлагаемой полезной модели сильная фазовая модуляция поверхностной волны реализуется за счет токовой накачки и формирования ВПЗ в прямозонной полупроводниковой структуре. Соответствующие волноводы могут быть использованы для создания на их основе генераторов ультракоротких импульсов, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне.

Известна модель многопроходного электрооптического фазового модулятора (RU патент №2420771 С2, Матюнин С.А., Леонович Г.И., Федотов Ю.А., Паранин В.Д.), включающего источник напряжения, электрооптический кристалл в виде пластины с нанесенными на пару противоположных сторон электродами, подключенными к разноименным полюсам источника напряжения. Модель отличается тем, что, по крайней мере, две стороны кристалла выполнены в виде отражающих профилей, обеспечивающих многократное прохождение светового пучка в пределах электрооптического кристалла, с возможностью введения светового пучка в кристалл так, что свет попадает на одну из профилированных сторон, имеющих отражающие треугольные вырезы. Раскрытый в патенте RU 2420771 С2 фазовый модулятор является прототипом заявленной полезной модели.

Известна модель электро-оптического модулятора [Vladimir S. Ilchenko, Anatoliy А. Savchenkov, Andrey В. Matsko, and Lute Maleki. Whispering-gallery-mode electro-optic modulator and photonic microwave receiver. J. Opt. Soc. Am. B. 2003, 20(2), p. 333-342], основанного на процессе эффективного всерезонансного трехволнового смешения с использованием высокодобротных мод шепчущей галереи. Реализована эффективная модуляция света при когерентной микроволновой накачке на частоте 9 ГГц с приложенной мощностью примерно 10 мВт.

Предложенные изобретения имеют следующие существенные недостатки:

1. Частота модуляции известных модуляторов лежит в гигагерцовой области Ω~ГГц и не может быть повышена до терагерцовых значений.

2. Приобретаемая сигналом глубина модуляции не превышает δ<π/2 и, как следствие, не могут быть достигнуты высокие значения фазовой модуляции ϕ>10^-4 пс^-2. Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.

Цель полезной модели: разработать оптическую систему для получения излучения с приобретенной сильной фазовой модуляцией в результате его многократного прохождения по резонатору, содержащему полупроводниковый волновод с бегущей волной пространственного заряда.

Технический результат: разработка модели полупроводникового фазового модулятора, позволяющего обеспечить фазовую модуляцию выходящего излучения ϕ≥10^-4 пс^-2. Выходное излучение представляет собой устойчивые последовательности субпикосекундных импульсов с линейной частотной модуляцией.

Технический результат достигается за счет реализации бегущей волны пространственного заряда в объеме прямозонного полупроводника GaAs и ее дальнейшей синхронизации с введенным в структуру оптическим излучением.

Для решения данной проблемы предлагается кольцевая резонаторная схема, основным элементом которой является полупроводниковый волновод на основе GaAs (фиг. 1). Предлагаемая полезная модель состоит из следующих конструктивных элементов:

1 - источник оптического излучения

2 - призма ввода

3 - призма вывода

4 - полупроводниковый волновод (GaAs)

5 - источник переменного напряжения

6 - глухое зеркало (R=1)

7 - полупрозрачное зеркало

8 - интерферометр Жира-Турнуа

9 - блок управления.

Свет от источника оптического излучения 1 через призму 2 вводится в цилиндрический полупроводниковый волновод 4 под некоторым малым углом θ (фиг. 2а), после чего излучение преобразуется в поверхностную волну типа моды шепчущей галереи и начинает распространяться по спиральной траектории. Продольная β_z и поперечная (радиальная) β_r компоненты волнового вектора такой волны связаны соотношением

,

где n(ω) - показатель преломления материала световода.

Причем, если угол ввода волны в световод в мал, т.е. направление ввода практически совпадает с поперечным сечением световода (фиг. 2в), то распространение волны вдоль его центральной оси существенно замедляется. При достаточно малых углах ввода θ≈0 значение продольной компоненты скорости распространения волны стремится к нулю V_z→0.

Модуляция изначально медленно туннелирующей поверхностной волны со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме, вдоль продольной оси световода z возможно при β_z<<β~β_r.

Медленно туннелирующее излучение, распространяясь в волноводе 4 по спиральной траектории, самосинхронизуется с распространяющейся переменной токовой волной

,

создаваемой внешним источником переменного напряжения 5, где κ - глубина модуляции тока, а частота Ω и волновое число q модулирующей токовой волны связаны как .

При распространении излучения в полупроводниковой структуре 4 с реализуемой волной пространственного заряда происходит его автоматическая локализация в области максимума показателя преломления. Это будет происходить даже в том случае, если у изначально вводимого излучения отсутствует продольная составляющая групповой скорости. В дальнейшем вывод туннелирующей волны с приобретенной глубиной модуляции осуществляется через призму 3 (фиг. 2б).

Оценки показывают, что для выбранных значений параметров глубина фазовой модуляции принимает большие значения δ≈20 за счет большой эффективной длины взаимодействия. В силу возможной компенсации потерь длина l может быть практически любой. Ограничивающими факторами здесь могут быть нелинейные эффекты. Таким образом, предлагаемый модулятор способен обеспечить большую частоту (до ТГц) и глубину модуляции электромагнитного излучения в ближнем ИК диапазоне.

Для получения больших глубин фазовой модуляции излучения в модели используется внешний резонатор, состоящий из глухого зеркала 6 с коэффициентом отражения R=1, полупрозрачного зеркала 7, и интерферометра Жира-Турнуа 8, на котором осуществляется контроль фазы излучения. Через полупрозрачное зеркало 6 выводится 10% мощности на каждом из обходов излучения по резонатору. Контролировать характеристики излучения позволяет эталон типа интерферометра Жира-Турнуа 8. Внешний резонатор, состоящий из элементов 6-8, обеспечивает режим импульсной генерации по типу активной синхронизации мод и дополнительную стабилизацию излучения на определенной частоте. Выделение мод определенного спектрального диапазона происходит за счет увеличения добротности соответствующих колебаний внутри формируемой резонаторной структуры. Контроль за источником оптического излучения 1, внешним источником переменного напряжения 5, а также интерферометром Жира-Турнуа 8 осуществляется с помощью блока управления 9.

Минимизация нелинейных эффектов осуществляется за счет небольшой начальной мощности излучения, вводимого в систему (менее 10 мВт). Для стабилизации излучения необходимо, чтобы полупроводниковый волновод имел нормальную дисперсию групповых скоростей. На выходе из полупроводникового волновода 4 амплитуда модулируемого излучения определяется как

,

где безразмерный параметр будет определять глубину модуляции ВП на выходе из волновода с реализуемой волной пространственного заряда. Таким образом, при выборе стандартных значений для коэффициента модуляции тока κ~10^-4 10^-5, длины волновода l≈0,1 мм, плазменной частоты носителей тока ω_po≈10¹⁵ с^-1, и дрейфовой скорости υ₀=10⁵ м/с, величина глубины модуляции может принимать огромные значения δ>>π/2.

Частота ВПЗ, распространяющаяся в волноводе без усиления и затухания, определяется как

.

На фиг. 3 представлены зависимости частоты ВПЗ от прикладываемого внешнего постоянного поля от источника напряжения 5 в GaAs структуре (кривые 10-12). Для анализа параметров GaAs были использованы экспериментальные данные для коэффициента диффузии и дрейфовой скорости, которые сильно зависят от напряженности внешнего электрического поля [Ruch J.G., Fawcett W. J. Appl. Phys., 41, 3843 (1970)]. В области отрицательной дифференциальной подвижности частота имеет два максимума. Первый максимум приходится на значение поля Е₀≈4.5⋅10⁵ В/м и представляет наибольший интерес. Вблизи поля Е₀=2.0⋅10⁵ В/м частота ВПЗ сильно изменяется даже при малом смещении напряжения. Таким образом, для получения ТГц модуляции Ω≈(5-6)⋅10¹²c^-1 в рассматриваемом полупроводниковом резонаторе длиной l=0.1 мм разность потенциалов должна составлять U=(30-45) В.

В результате выходное излучение, выводящееся через призму 3, представляет собой формирующуюся последовательность коротких импульсов гауссовой формы со скоростью частотной модуляции . Причем, параметр усиления G=0.86⋅10⁴ м^-1 (кривые 10, 13), G=1.86⋅10⁴ м^-1 (кривые 11, 14), G=4⋅10⁴ м^-1 (кривые 12, 15) определяется концентрацией носителей и их дрейфовой скоростью в полупроводнике. На фиг. 3 приведены зависимости частотной модуляции генерируемых импульсов от концентрации электронов для типичных параметров полупроводниковой структуры и вводимого излучения: κ=10^-5, n=3.4, v₀=10⁵ м/с, ω=1.2⋅10¹⁵ с^-1, ω_p0=1.5⋅10¹⁵ с^-1. Полученные высокие значения частотной модуляции φ позволяют реализовать дальнейшее эффективное сжатие импульсов в нелинейной среде.

Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании в качестве волноводной структуры полупроводника с реализуемой в нем ВПЗ, возможно достичь терагерцовых значений частоты модуляции при одновременно высоких значениях глубины модуляции.

Claims (1)

1. Фазовый модулятор оптического излучения, включающий источник излучения, волновод и источник напряжения, отличающийся тем, что волновод представляет собой полупроводниковый волновод с бегущей волной пространственного заряда, источник напряжения является источником переменного напряжения, фазовый модулятор дополнительно содержит призмы ввода и вывода излучения, непрозрачное и полупрозрачное зеркала, интерферометр Жира-Турнуа и блок управления, при этом последовательно расположенные источник оптического излучения, призма ввода излучения, полупроводниковый волновод, призма вывода излучения, полупрозрачное зеркало, интерферометр Жира-Турнуа и непрозрачное зеркало формируют кольцевую резонаторную схему, а в объеме полупроводникового волновода реализуется волна переменного тока, синхронизированная с оптическим излучением.