RU2439640C2

RU2439640C2 - Electrically actuated optical frequency shifting device

Info

Publication number: RU2439640C2
Application number: RU2010109403/28A
Authority: RU
Inventors: Массимильяно ДИСПЕНЦА (IT); Массимильяно ДИСПЕНЦА; Анна Мария ФЬОРЕЛЛО (IT); Анна Мария ФЬОРЕЛЛО; Мауро ВАРАЗИ (IT); Мауро ВАРАЗИ
Original assignee: Селекс Системи Интеграти С.П.А.
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2012-01-10
Also published as: RU2010109403A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: optical device has an electro-optic substrate (3), having a main surface (3a), an optical waveguide structure formed on said substrate (3) and having two waveguide areas (7), spaced apart by a distance (S) for mutual optical coupling with each other, and an electrode structure having at least a first electrode (11). The substrate (3) has a crystalline structure with a Z section with a crystal axis Z, which is orthogonal to the main surface (3a), and has two oppositely polarised areas (20, 21) having opposite orientation of said crystal axis Z. The two waveguide areas (7) lie under the first electrode (11), each on the corresponding one of the two oppositely polarised areas (20, 21).

EFFECT: high operating frequency owing to shorter inter-waveguide distance between the optically coupled waveguide areas.

13 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

В общем, настоящее изобретение относится к электрически возбуждаемому оптическому устройству для сдвига частоты, в частности, предназначенному для использования в оптической системе для сдвига частоты оптического сигнала, распространяющегося в оптическом волноводе, до очень высоких частот.In general, the present invention relates to an electrically excited optical frequency shifting device, in particular for use in an optical system for shifting the frequency of an optical signal propagating in an optical waveguide to very high frequencies.

Уровень техникиState of the art

Как известно, с ранней поры телефона и телеграфа связные сигналы традиционно передают по медным проводам и кабелям. Однако в последние годы связные сигналы в возрастающем объеме передают в виде световых пучков по оптическим волноводам. На основе оптических волноводов разработано периферийное оборудование различных видов, например соединительные устройства и переключатели. В частности, при оперировании оптическими связными сигналами широко используют технологию, известную как интегральная оптика. Используя эту технологию, связные сигналы в виде световых пучков передают по оптическим волноводам, образованным в подложках, изготовленных из электрооптических материалов, таких как ниобат лития (LiNbO₃), который, вероятно, является наиболее широко используемым материалом вследствие его хороших электрооптических свойств и возможности изготовления оптических волноводов с низкими потерями.As you know, from the early days of the telephone and telegraph, connected signals are traditionally transmitted through copper wires and cables. However, in recent years, connected signals in an increasing volume are transmitted in the form of light beams through optical waveguides. On the basis of optical waveguides, peripheral equipment of various types has been developed, for example, connecting devices and switches. In particular, when operating with optical coupled signals, the technology known as integrated optics is widely used. Using this technology, connected signals in the form of light beams are transmitted along optical waveguides formed in substrates made of electro-optical materials, such as lithium niobate (LiNbO ₃ ), which is probably the most widely used material due to its good electro-optical properties and the possibility of manufacturing low loss optical waveguides.

Хотя в настоящее время интегральную оптику широко используют при передаче сигналов, удовлетворение непрекращающегося спроса на оптические приборы, работающие на все более высоких частотах, ограничивается трудностью изготовления оптических устройств для сдвига частоты с соответствующими характеристиками.Although integrated optics are currently widely used in signal transmission, satisfying the continuing demand for optical devices operating at ever higher frequencies is limited by the difficulty in manufacturing optical devices for frequency shifting with corresponding characteristics.

На фиг.1 показано стандартное представление оптического устройства для сдвига частоты, имеющего оптический вход, где принимается входной оптический сигнал с входной оптической частотой, электрический вход, где радиочастотный электрический сигнал возбуждения с электрической частотой в диапазоне сверхвысоких частот принимается для электрического возбуждения оптического устройства для сдвига частоты, и оптический выход, на который подводится выходной оптический сигнал с выходной оптической частотой, равной входной оптической частоте входного оптического сигнала, повышенной на электрическую частоту электрического сигнала возбуждения. На фиг.1 также показаны оптические спектры входного и выходного оптических сигналов, а также временная диаграмма электрического сигнала возбуждения.Figure 1 shows a standard representation of an optical device for frequency shifting, having an optical input, where an input optical signal with an input optical frequency is received, an electrical input, where a radio frequency electric excitation signal with an electric frequency in the microwave range is received to electrically excite an optical device for shifting frequency, and the optical output to which the output optical signal is supplied with an output optical frequency equal to the input optical frequency input optical signal increased by the electric frequency of the electrical excitation signal. Figure 1 also shows the optical spectra of the input and output optical signals, as well as the timing diagram of the electrical excitation signal.

На фиг.2 показано схематичное представление известного оптического устройства 1 для сдвига частоты, которое, в основном, включает в себя оптическую волноводную структуру 2, сформированную обычным образом в подложке 3 (показанной на следующей фиг.3) из электрооптического материала, обычно ниобата лития (LiNbO₃), например избирательной диффузией титана в подложку 3.Figure 2 shows a schematic representation of a known optical frequency shifting device 1, which mainly includes an optical waveguide structure 2 formed in a conventional manner in a substrate 3 (shown in the following figure 3) from an electro-optical material, usually lithium niobate ( LiNbO ₃ ), for example, by selective diffusion of titanium into the substrate 3.

Подложка 3 имеет кристаллическую структуру Х-среза, то есть кристаллическую структуру с осью Х кристалла, которая является ортогональной к основной поверхности 3а подложки 3 (то есть поверхности наибольшей площади); ориентация кристаллической структуры обуславливает связь электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, в основном, вдоль оси Z кристалла кристаллической структуры, то есть электрооптическая связь вдоль двух других осей кристалла является пренебрежимо малой по сравнению с электрооптической связью вдоль оси Z кристалла.The substrate 3 has an X-slice crystal structure, that is, a crystal structure with an X axis of the crystal that is orthogonal to the main surface 3a of the substrate 3 (i.e., the surface of the largest area); the orientation of the crystal structure determines the coupling of the electric and optical fields generated by the electrical excitation signal and the input optical signal, mainly along the Z axis of the crystal structure, i.e., the electro-optical coupling along the other two axes of the crystal is negligible compared to the electro-optical coupling along the Z axis of the crystal .

В действительности, электрооптический эффект обуславливает пространственное изменение показателя преломления электрооптического материала в зависимости от интенсивности и направления внешнего электрического поля, приложенного к нему. В частности, вдоль данного пространственного направления показатель преломления изменяется пропорционально интенсивности электрического поля вдоль этого направления. Изменения показателя преломления вдоль трех осей X, Y и Z кристалла электрооптического материала можно вычислить путем скалярного умножения вектора электрического поля на матрицу 3×3 электрооптических коэффициентов. В случае кристалла LiNbO₃ из числа электрооптических коэффициентов матрицы 3×3 электрооптический коэффициент, имеющий наибольшее значение, представляет собой r₃₃ (≈30 пм/В), который связывает изменение показателя преломления, воздействующее на электромагнитные волны, поляризованные вдоль оси Z кристалла, с составляющей электрического поля вдоль той же самой оси.In fact, the electro-optical effect causes a spatial change in the refractive index of the electro-optical material depending on the intensity and direction of the external electric field applied to it. In particular, along a given spatial direction, the refractive index varies in proportion to the intensity of the electric field along this direction. Changes in the refractive index along the three axes X, Y, and Z of the crystal of the electro-optical material can be calculated by scalar multiplication of the electric field vector by a matrix of 3 × 3 electro-optical coefficients. In the case of a LiNbO ₃ crystal, from the number of electro-optical coefficients of the 3 × 3 matrix, the electro-optical coefficient having the greatest value is r ₃₃ (≈30 pm / V), which relates the change in the refractive index, affecting electromagnetic waves polarized along the Z axis of the crystal, with component of the electric field along the same axis.

Оптическая волноводная структура 2 содержит Y-образную волноводную структуру 4 и повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру 5, связанные последовательно. Y-образная волноводная структура 4 включает в себя входную ветвь 6, выполненную с возможностью связи при использовании с входным оптическим волокном (не показанным), и пару взаимно оптически связанных ветвей 7, ответвляющихся от входной ветви 6. Повернутая в противоположном направлении Y-образная волноводная структура 5 содержит пару взаимно оптически развязанных ветвей 8, связанных с соответствующими взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4 и сливающихся в выходную ветвь 9, выполненную с возможностью связи при использовании с выходным оптическим волокном (не показанным). Одна из взаимно оптически развязанных ветвей 8 из повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 структурирована таким образом, что наводит изменение фазы на π рад в оптическом сигнале, распространяющемся по ней.The optical waveguide structure 2 comprises a Y-shaped waveguide structure 4 and a Y-shaped waveguide structure 5 rotated in the opposite direction, connected in series. The Y-shaped waveguide structure 4 includes an input branch 6 adapted to be coupled when used with an input optical fiber (not shown), and a pair of mutually optically coupled branches 7 branching from the input branch 6. Rotated in the opposite direction, the Y-shaped waveguide structure 5 contains a pair of mutually optically decoupled branches 8 connected to corresponding mutually optically coupled branches 7 of a Y-shaped waveguide structure 4 and merging into an output branch 9 configured to couple and when used with an output optical fiber (not shown). One of the mutually optically decoupled branches 8 of the Y-shaped waveguide structure 5 rotated in the opposite direction is structured in such a way that it induces a phase change by π rad in the optical signal propagating through it.

В частности, две взаимно оптически связанные ветви 7 из Y-образной волноводной структуры 4 разнесены на расстояние S (первое межволноводное расстояние), достаточно небольшое, чтобы гарантировалась взаимная оптическая связь, обычно находящееся в пределах от 5 до 10 мкм, тогда как две взаимно оптически развязанные ветви 8 из повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 разнесены на расстояние D (второе межволноводное расстояние), достаточно большое, чтобы предотвращалась взаимная оптическая связь. Кроме того, степень κ_связи связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4 является функцией первого межволноводного расстояния S через коэффициент e^-αS пропорциональности, где α является обратной величиной расстояния, на котором коэффициент связи уменьшает до доли 1/е экстраполированное значение на нулевом расстоянии.In particular, two mutually optically coupled branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4 are spaced apart by a distance S (first inter-waveguide distance) small enough to guarantee mutual optical coupling, usually in the range of 5 to 10 μm, while two mutually optically the untied branches 8 of the Y-shaped waveguide structure 5 rotated in the opposite direction are spaced apart by a distance D (second inter-waveguide distance) large enough to prevent mutual optical coupling. In addition, the degree of κ _bond coupling of mutually optically coupled branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4 is a function of the first inter-waveguide distance S through the proportionality coefficient e ^-αS , where α is the reciprocal of the distance at which the coupling coefficient reduces the extrapolated fraction to 1 / e value at zero distance.

Оптическое устройство 1 для сдвига частоты также содержит электропроводную электродную структуру 10 толщиной 1-30 мкм, обычным способом сформированную из золота или аналогичных металлов над основной поверхностью 3а подложки 3, поверх взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4.The frequency shifting optical device 1 also comprises an electrical conductive electrode structure 10 of a thickness of 1-30 μm, formed in the usual way from gold or similar metals over the main surface 3a of the substrate 3, over mutually optically connected branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4.

В частности, как показано на фиг.3, электродная структура 10 включает в себя внутренний электрод 11, расположенный между взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4, и пару внешних электродов 12, расположенных за пределами взаимно оптически связанных ветвей 7 по противоположным сторонам внутреннего электрода 11 и симметрично по отношению к нему. Диэлектрический (например, SiO₂) буферный слой 13 расположен между основной поверхностью 3а подложки 3 и электродной структурой 10 для предотвращения или минимизации поглощения оптической энергии электродной структурой 10.In particular, as shown in FIG. 3, the electrode structure 10 includes an internal electrode 11 located between the mutually optically connected branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4, and a pair of external electrodes 12 located outside the mutually optically connected branches 7 along opposite sides of the inner electrode 11 and symmetrically with respect to it. A dielectric (e.g., SiO ₂ ) buffer layer 13 is located between the main surface 3a of the substrate 3 and the electrode structure 10 to prevent or minimize absorption of optical energy by the electrode structure 10.

Внешние электроды 12 обычно заземлены, тогда как на внутренний электрод 11 подается электрический сигнал возбуждения, имеющий электрическую частоту Ω и момент β_Ω, который является результатом приложения радиочастотного напряжения возбуждения между внутренним электродом 11 и внешними электродами 12. Радиочастотное напряжение возбуждения создает противоположные электрические поля между внутренним электродом 11 и внешними электродами 12; электрические поля имеют направление, по существу параллельное основной поверхности 3а (и оси Z кристалла) и поперечное соответствующей одной из взаимно оптически связанных ветвей 7, при противоположных ориентациях. Поскольку электрооптическим коэффициентом с принимаемым в расчет значением является только r₃₃, эти противоположные электрические поля наводят противоположные изменения показателей преломления во взаимно оптически связанных ветвях 7 из Y-образной волноводной структуры 4.The external electrodes 12 are usually grounded, while an electrical excitation signal having an electric frequency Ω and a torque β _Ω , which is the result of applying a radio frequency excitation voltage between the internal electrode 11 and the external electrodes 12, is supplied to the internal electrode 11. The radio frequency excitation voltage creates opposite electric fields between the inner electrode 11 and the outer electrodes 12; electric fields have a direction substantially parallel to the main surface 3a (and the Z axis of the crystal) and transverse to the corresponding one of the mutually optically coupled branches 7, with opposite orientations. Since the electro-optical coefficient with the value taken into account is only r ₃₃ , these opposite electric fields induce opposite changes in the refractive indices in mutually optically coupled branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4.

Входной оптический сигнал, состоящий из единственной симметричной моды, с коэффициентом N_S распространения, оптической частотой ω_S и моментом β_S, и принимаемый на входной ветви 6 оптического устройства 1 для сдвига частоты, распространяется вдоль Y-образной волноводной структуры 4, которая вследствие взаимной оптической связи ее ветвей функционально воспринимается входным оптическим сигналом как единый волновод, который может поддерживать две отдельные супермоды с противоположной четностью, известные как симметричная супермода и антисимметричная супермода. В отсутствие других явлений, то есть присущих асимметрий и/или электрических возмущений, только симметричная супермода будет распространяться без возбуждения антисимметричной супермоды. Поэтому только единственная симметричная супермода с такой же мощностью, как и мощность входного оптического сигнала, показателем N_S распространения, оптической частотой ω_S и моментом β_S начинает распространяться по Y-образной волноводной структуре 4.The input optical signal, consisting of a single symmetric mode, with the propagation coefficient N _S , the optical frequency ω _S and the moment β _S , and received on the input branch 6 of the optical device 1 for frequency shift, propagates along the Y-shaped waveguide structure 4, which, due to the mutual the optical coupling of its branches is functionally perceived by the input optical signal as a single waveguide, which can support two separate supermodels with opposite parity, known as symmetric supermode and anti symmetrical supermode. In the absence of other phenomena, that is, inherent asymmetries and / or electrical disturbances, only the symmetric supermode will propagate without excitation of the antisymmetric supermode. Therefore, only a single symmetric super-mode with the same power as the power of the input optical signal, the propagation index N _S , the optical frequency ω _S and the moment β _S begins to propagate along the Y-shaped waveguide structure 4.

Во время распространения симметричная супермода находится под воздействием упомянутых выше противоположных изменений показателей преломления, и это приводит к частичной передаче энергии из симметричной супермоды к антисимметричной супермоде, которая начинает распространяться в дополнение к симметричной супермоде. Антисимметричная супермода имеет частоту ω_А, равную частоте ω_S симметричной супермоды, сдвинутой вверх на частоту Ω электрического сигнала возбуждения, подаваемого на внутренний электрод 11 (ω_A=ω_S+Ω), момент β_А равен моменту β_S симметричной супермоды, сдвинутому вверх на момент β_Ω электрического сигнала возбуждения, подаваемого на внутренний электрод 11 (β_A=β_S+β_Ω), (вследствие ограничивающего условия сохранения момента), и показатель N_A распространения.During propagation, the symmetric supermode is under the influence of the opposite changes in the refractive indices mentioned above, and this leads to a partial transfer of energy from the symmetric supermode to the antisymmetric supermode, which begins to propagate in addition to the symmetric supermode. The antisymmetric supermode has a frequency ω _A equal to the frequency ω _{S of the} symmetric supermode shifted upward by the frequency Ω of the electric excitation signal supplied to the internal electrode 11 (ω _A = ω _S + Ω), the moment β _A is equal to the moment β _{S of the} symmetric supermode shifted up at the time β _{Ω, the} electric excitation signal supplied to the internal electrode 11 (β _A = β _S + β _Ω ) (due to the limiting condition for conservation of torque), and the propagation index N _A.

Поэтому на выходе Y-образной волноводной структуры 4 присутствуют остаточная симметричная супермода и антисимметричная супермода, которые входят в повернутую в противоположном направлении Y-образную волноводную структуру 5, в каждой ветви которой распространяется составной оптический сигнал, имеющий половину мощности входного оптического сигнала и содержащий симметричную моду с двумя лепестками одинакового знака и антисимметричную моду с двумя лепестками противоположных знаков. Во время распространения вдоль повернутой в противоположном направлении Y-образной волноводной структуры 5 в одном из двух составных оптических сигналов наводится изменение фазы на π рад, поэтому в выходной ветви 9 из повернутой в обратном направлении Y-образной волноводной структуры 5, где два составных оптических сигнала объединяются, получается суммирование двух лепестков антисимметричной моды в один выходной оптический сигнал, имеющий частоту ω_А, и взаимная компенсация двух лепестков оставшейся симметричной моды.Therefore, at the output of the Y-shaped waveguide structure 4, there are residual symmetric supermode and antisymmetric supermode, which enter the opposite Y-shaped waveguide structure 5, in each branch of which a composite optical signal propagates that has half the power of the input optical signal and contains a symmetric mode with two petals of the same sign and an antisymmetric mode with two petals of opposite signs. During propagation along the opposite Y-shaped waveguide structure 5 in one of the two composite optical signals, a phase change is induced by π rad, therefore, in the output branch 9 of the opposite Y-shaped waveguide structure 5, where there are two composite optical signals combined, it turns out the summation of the two petals of the antisymmetric mode into one output optical signal having a frequency of ω _A , and the mutual compensation of the two petals of the remaining symmetric mode.

Резонансная частота Ω оптического устройства 1 для сдвига частоты, то есть электрическая частота Ω электрического сигнала возбуждения, который при подаче на электрический вход оптического устройства для сдвига частоты приводит к максимальной эффективности сдвига, задаются проектными характеристиками самого оптического устройства для сдвига частоты, и, в частности, она прямопропорциональна степени κ_связи связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4; в свою очередь, степень κ_связи связи пропорциональна e^-αS, где S является первым межволноводным расстоянием между взаимно оптически связанными ветвями 7 и дается следующей формулой:The resonance frequency Ω of the optical device 1 for frequency shift, that is, the electric frequency Ω of the electrical excitation signal, which when applied to the electrical input of the optical device for frequency shift leads to maximum shift efficiency, are set by the design characteristics of the optical device for frequency shift, and, in particular , it is directly proportional to the degree of κ _{coupling of the} connection of mutually optically coupled branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4; in turn, the degree of κ _bond coupling is proportional to e ^-αS , where S is the first inter-waveguide distance between mutually optically coupled branches 7 and is given by the following formula:

N_S-N_A ∝ κ_связи ∝ e^-αS.N _S -N _A ∝ κ _bonds ∝ e ^-αS .

Поэтому повышение рабочей частоты можно получить, уменьшая первое межволноводное расстояние между S взаимно оптически связанными ветвями 7.Therefore, an increase in the operating frequency can be obtained by decreasing the first inter-waveguide distance between S mutually optically coupled branches 7.

Задача и краткое изложение сущности изобретенияObjective and summary of the invention

Заявитель убедился на опыте, что непрекращающуюся потребность в повышении резонансных частот и, следовательно, частотных сдвигов оптических устройств для сдвига частоты очень трудно удовлетворить в случае невозможности уменьшения межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями Y-образной волноводной структуры ниже определенных значений.The applicant was convinced from experience that the continuing need to increase the resonant frequencies and, consequently, the frequency shifts of optical devices for frequency shifting is very difficult to satisfy if it is impossible to reduce the inter-waveguide distance between mutually optically connected branches of the Y-shaped waveguide structure below certain values.

В действительности, как описывалось ранее, для получения частотного сдвига при электрооптической связи электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, необходимо, чтобы оптические сигналы, проходящие во взаимно оптически связанных ветвях из Y-образной волноводной структуры, подвергались воздействию противоположных изменений коэффициентов преломления для возбуждения антисимметричной супермоды. Чтобы получать такой результат, взаимно оптически связанные ветви располагают между внутренним электродом и внешними электродами, при этом электрические поля параллельны оси Z кристалла и имеют противоположные ориентации.In fact, as described earlier, in order to obtain a frequency shift in the electro-optical coupling of the electric and optical fields generated by the electric excitation signal and the input optical signal, it is necessary that the optical signals passing in mutually optically coupled branches from the Y-shaped waveguide structure are exposed to the opposite changes in refractive indices for excitation of an antisymmetric supermode. To obtain such a result, mutually optically coupled branches are arranged between the inner electrode and the outer electrodes, while the electric fields are parallel to the Z axis of the crystal and have opposite orientations.

Чрезмерное уменьшение межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями из Y-образной волноводной структуры будет приводить к тому, что взаимно оптически связанные ветви будут располагаться под внутренним электродом, где электрические поля параллельны оси X кристалла и ориентированы в одинаковом направлении, что препятствует любой электрооптической связи между электрическим и оптическим полями.Excessive decrease in the inter-waveguide distance between mutually optically coupled branches from a Y-shaped waveguide structure will result in mutually optically coupled branches located under the internal electrode, where the electric fields are parallel to the X axis of the crystal and oriented in the same direction, which prevents any electro-optical coupling between electric and optical fields.

С учетом изложенного выше заявитель отмечает, что современная архитектура оптических устройств для сдвига частоты представляет собой препятствие значительному повышению резонансной частоты и, следовательно, частотного сдвига, получаемого с помощью известных оптических устройств для сдвига частоты.In view of the foregoing, the applicant notes that the modern architecture of optical devices for frequency shift is an obstacle to a significant increase in the resonant frequency and, therefore, the frequency shift obtained using known optical devices for frequency shift.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании усовершенствованного оптического устройства сдвига частоты, в котором исключены ограничения известных оптических устройств для сдвига частоты, что позволяет получать более высокие рабочие частоты оптических приборов.Therefore, it is an object of the present invention to provide an improved optical frequency shift device in which the limitations of known optical frequency shift devices are eliminated, which allows to obtain higher operating frequencies of optical devices.

Эта задача решается настоящим изобретением, которое относится к оптическому устройству для сдвига частоты, определенному в прилагаемой формуле изобретения.This problem is solved by the present invention, which relates to an optical device for frequency shift, as defined in the attached claims.

В настоящем изобретении упомянутая выше задача решается путем использования электрооптической подложки с кристаллической структурой Z-среза, содержащей два противоположно поляризованных участка, то есть участки, имеющие противоположные ориентации оси Z кристалла, и путем расположения внутреннего электрода, центрированного над границей, между двумя противоположно поляризованными участками, и, наконец, путем расположения взаимно оптически связанных ветвей из Y-образной волноводной структуры под внутренним электродом, очень близко друг к другу и по противоположным сторонам границы, так что взаимно оптически связанные ветви из Y-образной волноводной структуры располагаются на соответствующих участках подложки, имеющих противоположные ориентации оси Z кристалла.In the present invention, the aforementioned problem is solved by using an electro-optical substrate with a Z-slice crystal structure containing two oppositely polarized regions, that is, regions having opposite orientations of the Z axis of the crystal, and by arranging an inner electrode centered above the boundary between two oppositely polarized regions and, finally, by arranging mutually optically connected branches of a Y-shaped waveguide structure under the inner electrode, it is very close to d to a friend and on opposite sides of the boundary, so that the mutually optically connected branches of the Y-shaped waveguide structure are located on the corresponding sections of the substrate having opposite orientations of the Z axis of the crystal.

Противоположные ориентации оси Z кристалла на двух участках подложки обуславливают наличие противоположных значений электрооптического коэффициента r₃₃ на этих участках, и поэтому, даже если взаимно оптически связанные ветви из Y-образной волноводной структуры расположены в области подложки (под внутренним электродом), где электрические поля параллельны оси Z кристалла и ориентированы в одинаковом направлении, оптические сигналы, проходящие во взаимно оптически связанных ветвях из Y-образной волноводной структуры, подвергаются воздействию изменений противоположных показателей преломления, и поэтому возбуждается антисимметричная супермода и получается требуемый частотный сдвиг.Opposite orientations of the Z axis of the crystal in two regions of the substrate determine the presence of opposite values of the electro-optical coefficient r ₃₃ in these regions, and therefore, even if mutually optically connected branches of the Y-shaped waveguide structure are located in the region of the substrate (under the internal electrode), where the electric fields are parallel the Z axis of the crystal and are oriented in the same direction, optical signals passing in mutually optically coupled branches from a Y-shaped waveguide structure are subjected to staying true opposite changes in refractive index, and therefore excited antisymmetric supermodes to obtain the desired frequency shift.

С другой стороны, значительное уменьшение межволноводного расстояния между взаимно оптически связанными ветвями из Y-образной волноводной структуры позволяет иметь значительно более высокую степень κ_связи связи, и поэтому резонансная частота Ω оптического устройства для сдвига фазы также может быть заметно повышена.On the other hand, a significant reduction in the inter-waveguide distance between mutually optically coupled branches from a Y-shaped waveguide structure allows a significantly higher degree of _coupling coupling κ, and therefore the resonant frequency Ω of the optical device for phase shift can also be significantly increased.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Теперь для лучшего понимания настоящего изобретения предпочтительные осуществления, которые предназначены только для примера и не должны толковаться как ограничивающие, будут описаны с обращением к сопровождающим чертежам (все не в масштабе), на которых:Now, for a better understanding of the present invention, preferred embodiments, which are intended only as an example and should not be construed as limiting, will be described with reference to the accompanying drawings (all not to scale), in which:

фиг.1 - стандартное представление оптического устройства для сдвига частоты вместе с диаграммами, относящимися к его электрическому и оптическим сигналам;figure 1 is a standard representation of an optical device for shifting the frequency together with diagrams related to its electrical and optical signals;

фиг.2 - схематичное представление известного оптического устройства для сдвига частоты и оптических мод, распространяющихся по нему;figure 2 is a schematic representation of a known optical device for shifting the frequency and optical modes propagating through it;

фиг.3 - сечение области оптического устройства для сдвига частоты из фиг.2; иfigure 3 is a cross section of the region of the optical device for shifting the frequency of figure 2; and

фиг.4 - сечение области оптического устройства для сдвига частоты согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения.FIG. 4 is a cross-sectional view of a region of an optical frequency shifting device according to a preferred embodiment of the present invention.

Подробное описание предпочтительных осуществлений изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Нижеследующее рассмотрение представлено, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники выполнить и использовать изобретение. Различные модификации к осуществлениям без отступления от заявленного объема настоящего изобретения должны быть полностью очевидны для специалистов в данной области техники. Поэтому настоящее изобретение не предполагается ограниченным показанными осуществлениями, а в соответствии с самым широким объемом должно быть согласованным с принципами и признаками, раскрытыми в этой заявке и определенными в прилагаемой формуле изобретения.The following discussion is presented to enable one skilled in the art to make and use the invention. Various modifications to implementations without departing from the claimed scope of the present invention should be fully apparent to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not intended to be limited by the shown embodiments, but in accordance with the broadest scope should be consistent with the principles and features disclosed in this application and defined in the attached claims.

На фиг.4 показано сечение области оптического устройства для сдвига частоты согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения, при этом теми же самыми позициями и знаками, что и позиции и знаки на фиг.3, обозначены аналогичные элементы, которые не будут описываться повторно.FIG. 4 shows a cross section of a region of an optical frequency shifting device according to a preferred embodiment of the present invention, with the same reference numerals and signs as the reference numerals and signs in FIG. 3, indicating similar elements that will not be described again.

Как показано на фиг.4, кристаллическая структура подложки 3 имеет ориентацию Z-среза, то есть представляет собой кристаллическую структуру с осью Z кристалла, которая является ортогональной к основной поверхности 3а подложки 3, над которой расположена электропроводная электродная структура 10. Такая конфигурация подложки обуславливает связь электрического и оптического полей, создаваемых электрическим сигналом возбуждения и входным оптическим сигналом, в основном, вдоль оси Х кристалла кристаллической структуры, то есть электрооптическая связь вдоль других двух осей кристалла является пренебрежимо малой по сравнению с электрооптической связью вдоль оси Х кристалла. В действительности, в этом случае электрооптический коэффициент r₃₃ с наиболее высоким значением из матрицы 3×3 электрооптических коэффициентов связывает изменение показателя преломления, проявляющегося в электромагнитных волнах, поляризованных вдоль оси Х кристалла, с составляющей электрического поля вдоль той же самой оси.As shown in FIG. 4, the crystal structure of the substrate 3 has a Z-cut orientation, that is, it is a crystal structure with a Z axis of the crystal, which is orthogonal to the main surface 3a of the substrate 3, above which the conductive electrode structure 10 is located. This configuration of the substrate determines the relationship of the electric and optical fields generated by the electrical excitation signal and the input optical signal, mainly along the X axis of the crystal structure, that is, electro-optical I link along the other two axes of the crystal is negligibly small compared to the electrooptic coupling along the X axis of the crystal. In fact, in this case, the electro-optical coefficient r ₃₃ with the highest value from the matrix of 3 × 3 electro-optical coefficients relates the change in the refractive index, which manifests itself in electromagnetic waves polarized along the X axis of the crystal, with the electric field component along the same axis.

Кроме того, подложка 3, по меньшей мере в области, где расположена электродная структура 10, предварительно обработана так, что содержит два противоположно поляризованных участка 20, 21, то есть участки, имеющие противоположные ориентации оси Z кристалла (что схематично показано стрелками на фиг.4); противоположные ориентации обуславливают наличие противоположных значений электрооптического коэффициента r₃₃ на двух противоположно поляризованных участках 20, 21, что приводит к наведению противоположных изменений показателей преломления электрическими полями, одинаково ориентированными вдоль оси Z кристалла.In addition, the substrate 3, at least in the region where the electrode structure 10 is located, is pre-treated so that it contains two oppositely polarized sections 20, 21, i.e., sections having opposite orientations of the Z axis of the crystal (as shown schematically by arrows in FIG. four); opposite orientations determine the presence of opposite values of the electro-optical coefficient r ₃₃ in two oppositely polarized sections 20, 21, which leads to inducing opposite changes in the refractive indices by electric fields that are equally oriented along the Z axis of the crystal.

Кроме того, внутренний электрод 11 электродной структуры 10 расположен над границей 22 между двумя противоположно поляризованными участками 20, 21 подложки 3, а взаимно оптически связанные ветви 7 из Y-образной волноводной структуры 4 расположены под внутренним электродом 11, очень близко друг к другу (разнесены на первое межволноводное расстояние S) и по противоположным сторонам границы 22. Следовательно, взаимно оптически связанные ветви 7 расположены на соответствующих участках подложки 3, имеющих противоположные ориентации оси Z кристалла и противоположные значения электрооптического коэффициента r₃₃. Кроме того, взаимно оптически связанные ветви 7 пересекаются электрическими полями, одинаково ориентированными вдоль оси Z кристалла, создаваемыми электрическим сигналом возбуждения, подаваемым на внутренний электрод 11 (внешние электроды 12 заземлены). В соответствии с этим противоположные изменения показателей преломления и в этом случае наводятся во взаимно оптически связанных ветвях 7 из Y-образной волноводной структуры 4, чем обеспечивается возможность передачи энергии из симметричной супермоды в антисимметричную супермоду. В настоящем осуществлении изобретения первое межволноводное расстояние S между взаимно оптически связанными ветвями 7 из Y-образной волноводной структуры 4 находится в пределах от 1 до 5 мкм.In addition, the inner electrode 11 of the electrode structure 10 is located above the boundary 22 between two oppositely polarized portions 20, 21 of the substrate 3, and mutually optically connected branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4 are located under the inner electrode 11, very close to each other (spaced on the first inter-waveguide distance S) and on opposite sides of the boundary 22. Therefore, mutually optically connected branches 7 are located on the corresponding sections of the substrate 3 having opposite orientations of the Z axis of the crystal and n otivopolozhnye values electrooptic coefficient r _33. In addition, mutually optically connected branches 7 are intersected by electric fields identically oriented along the Z axis of the crystal, generated by an electrical excitation signal supplied to the internal electrode 11 (external electrodes 12 are grounded). In accordance with this, opposite changes in the refractive indices in this case are also induced in mutually optically connected branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4, which makes it possible to transfer energy from a symmetric supermode to an antisymmetric supermode. In the present embodiment, the first inter-waveguide distance S between the mutually optically connected branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4 is in the range of 1 to 5 μm.

Из приведенного выше можно сразу же понять, что кристаллическая структура Z-среза подложки 3 и разделение подложки 3 на два противоположно поляризованных участка 20, 21, имеющих противоположные электрооптические коэффициенты, позволяют располагать взаимно оптически связанные ветви 7 под внутренним электродом 11 на месте, не принимаемом во внимание в известных оптических устройствах для сдвига частоты.From the above, it can immediately be understood that the crystal structure of the Z-cut of the substrate 3 and the separation of the substrate 3 into two oppositely polarized sections 20, 21 having opposite electro-optical coefficients make it possible to arrange mutually optically connected branches 7 under the internal electrode 11 in a place not accepted into account in known optical devices for frequency shift.

Следовательно, взаимно оптически связанные ветви 7 расположены на расстоянии, которое намного меньше, чем в известных оптических устройствах для сдвига частоты. Таким способом достигается более высокая степень κ_связи связи взаимно оптически связанных ветвей 7 из Y-образной волноводной структуры 4 и, следовательно, более значительное повышение рабочей частоты.Therefore, mutually optically coupled branches 7 are located at a distance that is much less than in known optical frequency shifting devices. In this way, a higher degree of κ _{coupling of the} mutually optically connected branches 7 of the Y-shaped waveguide structure 4 is achieved and, therefore, a more significant increase in the operating frequency.

Наконец, ясно, что многочисленные модификации и варианты могут быть сделаны к настоящему изобретению, все - попадающие в объем изобретения, определенный в прилагаемой формуле изобретения.Finally, it is clear that numerous modifications and variations can be made to the present invention, all falling within the scope of the invention defined in the appended claims.

В частности, подложка 3 может быть выполнена из другого электрооптического материала Z-среза, такого как танталат лития (LiTaO₃) или титанил-фосфат калия.In particular, the substrate 3 may be made of another electro-optical Z-section material, such as lithium tantalate (LiTaO ₃ ) or potassium titanyl phosphate.

Claims

1. An optical device (1) for frequency shift, containing:
an electro-optical substrate (3) having a main surface (3a);
an optical waveguide structure (2) formed on said substrate (3) and having two waveguide sections (7) that are spaced apart by a distance (S) such that mutual optical coupling between them is guaranteed; and
an electrode structure (10) located above said main surface (3a) of said substrate (3) and having at least a first electrode (11),
characterized in that said substrate (3) has a Z-slice crystal structure with a Z axis of the crystal orthogonal to said main surface (3a) and contains two oppositely polarized regions (20, 21) having opposite orientations of said Z axis of the crystal; and the fact that these two waveguide sections (7) are located under the specified first electrode (11), each on the corresponding one of these two oppositely polarized sections (20, 21).

2. An optical device for frequency shift according to claim 1, wherein said electrode structure (10) is capable of functioning for applying identically oriented electric fields to said waveguide sections (7).

3. An optical frequency shifter according to any one of the preceding claims, wherein said substrate (3) is made of lithium niobate.

4. The optical frequency shift device according to claim 1, wherein said oppositely polarized portions (20, 21) are separated by a boundary (22), said first electrode (11) is located above said boundary (22), and said two waveguide sections (7 ) are located on opposite sides of the indicated boundary (22).

5. The optical frequency shift device according to claim 1, wherein said electrode structure (10) comprises two second electrodes (12), each located above one of the two opposite polarized portions (20, 21), on opposite sides the specified first electrode (11) and symmetrically with respect to it.

6. An optical frequency shift device according to claim 5, wherein said two second electrodes (12) are connected to a reference signal, and said first electrode (11) is connected to an input of an electrical excitation signal of said optical device (1) for frequency shift.

7. The optical frequency shift device according to claim 1, wherein said optical waveguide structure (2) comprises a Y-shaped waveguide structure (4) and a Y-shaped waveguide structure (5) rotated in the opposite direction, connected in series; in which the specified Y-shaped waveguide structure (4) contains an input branch (6), configured to communicate with the input of the optical signal, and these waveguide sections (7) branching from the specified input branch (6), and the specified rotated in the opposite direction The Y-shaped waveguide structure (5) contains a pair of mutually optically decoupled branches (8) connected to the indicated waveguide sections (7) and merging into the output branch (9), which is configured to communicate with the output of the optical signal.

8. The optical frequency shift device according to claim 7, wherein one of said mutually optically decoupled branches (8) from said Y-shaped waveguide structure (5) rotated in the opposite direction is structured in such a way that it induces a change in π rad of the optical phase signal propagating through it.

9. A method of manufacturing an optical device (1) for frequency shift, which consists in the fact that:
creating an electro-optical substrate (3) having a main surface (3a);
forming an optical waveguide structure (2) in said substrate (3), wherein said waveguide structure (2) has two waveguide sections (7) that are spaced apart by a distance (S) such that mutual optical coupling between them is guaranteed; and
forming an electrode structure (10) above said main surface (3a) of said substrate (3), wherein said electrode structure (10) has at least a first electrode (11),
characterized in that the creation of an electro-optical substrate contains:
forming said substrate (3) with a Z-slice crystal structure having a Z axis of the crystal orthogonal to said main surface (3a), and processing said substrate (3) so as to form two oppositely polarized regions (20, 21) having opposite orientations of the indicated Z axis of the crystal;
and the fact that:
the formation of the specified optical waveguide structure (2) contains the location of these two waveguide sections (7) under the specified first electrode (11), with each on the corresponding one of these two oppositely polarized sections (20, 21).

10. The method according to claim 9, in which the specified substrate (3) is made of lithium niobate.

11. The method according to any one of claims 9 or 10, wherein said oppositely polarized portions (20, 21) are separated by a boundary (22), and the formation of the electrode structure (10) comprises an arrangement of said first electrode (11) above said boundary, and an arrangement of said two waveguide sections (7) contains the location of these two waveguide sections (7) on opposite sides of the specified boundary (22).

12. The method according to claim 9, in which the formation of the electrode structure (10) comprises the arrangement of two second electrodes (12), each above the corresponding one of these two oppositely polarized sections (20, 21), on opposite sides of the specified first electrode (11) ) and symmetrically with respect to it.

13. The method according to p. 12, in which the formation of the electrode structure (10) also comprises connecting said two second electrodes (12) to a reference signal and connecting said first electrode (11) to the input of an electrical excitation signal of said optical device (1) for shearing frequency.