RU2754205C1 - Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра маха-цендера - Google Patents
Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра маха-цендера Download PDFInfo
- Publication number
- RU2754205C1 RU2754205C1 RU2020141935A RU2020141935A RU2754205C1 RU 2754205 C1 RU2754205 C1 RU 2754205C1 RU 2020141935 A RU2020141935 A RU 2020141935A RU 2020141935 A RU2020141935 A RU 2020141935A RU 2754205 C1 RU2754205 C1 RU 2754205C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interferometer
- optical
- radiation
- mach
- contrast
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
- G02B6/2935—Mach-Zehnder configuration, i.e. comprising separate splitting and combining means
- G02B6/29352—Mach-Zehnder configuration, i.e. comprising separate splitting and combining means in a light guide
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области интегральной оптики, а точнее к способам точной подстройки контраста интегрально-оптических интерферометров Маха-Цендера. Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера включает предварительное формирование на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра областей металлизации, подачу на вход интерферометра рабочего оптического излучения, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 103Вт/мм2до изменения величины сигнала рабочего оптического излучения на выходе интерферометра, воздействие на выбранный для подстройки участок плеча интерферометра в области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения до момента достижения заданной величины контраста интерферометра. Изобретение обеспечивает подстройку интерферометра с увеличенной точностью. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к области интегральной оптики, а точнее, к способам точной подстройки контраста интегрально-оптических интерферометров Маха-Цендера.
Интегрально-оптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера широко используемых в волоконно-оптических линиях связи и системах обработки сигналов волоконно-оптических датчиков. Важной характеристикой модуляторов является контраст модуляции оптического сигнала (ER), который численно описывается как отношение мощности оптического излучения при максимальном прохождении через модулятор к мощности оптического излучения при минимальном прохождении оптического сигнала и выражается в децибелах.
Высокий контраст необходим для снижения шумов и перекрестных помех в системах оптических телекоммуникации и повышения чувствительности оптических датчиков. В интегрально-оптических модуляторах на основе интерферометра Маха-Цендера высокий контраст модуляции достигается при выравнивании оптической мощности двух интерферирующих волноводных мод на выходном делителе оптической мощности. Сложность получения высокого контраста обусловлена технологическим разбросом коэффициента деления волноводных делителей оптической мощности и потерь в разных плечах интерферометра, связанных с конечной точностью литографических методов формирования топологии интегрально-оптических схем и случайными дефектами, возникающими в оптических волноводах в процессе их изготовления. Типичная величина контраста коммерчески доступных интегрально-оптических модуляторов Маха-Цендера составляет 30 дБ, в то время как для многих практических применений необходимо иметь контраст 50 дБ и более.
Известен способ повышения контраста интерферометра Маха-Цендера (см, заявка № US 2003/0031401 А1, МПК G02B 6/26, опубликована 13.02.2003), который заключается в выборе конфигурации волноводного интерферометра Маха-Цендера с минимальной длиной, что снижает количество случайных дефектов в его плечах, и в использовании пространственных фильтров в виде сужающихся волноводов до входного и после выходного делителей оптической мощности, что позволяет снизить разброс коэффициента деления. Однако уменьшение длины интерферометра приводит к росту управляющего напряжения модулятора, а сужения волноводов на входе и выходе ухудшает согласование и приводит к росту потерь при стыковке с оптическим волокном.
Известен способ управления контрастом интерферометра Маха-Цендера (см. заявка № US 2015/0198859 А1, МПК G02F 1/225, опубликована 16.07.2015), заключающийся в активной регулировке и балансировки потерь в плечах интерферометра при помощи управляемого делителя оптической мощности или управляемых оптических аттенюаторов. Однако данный способ при меняющихся во времени внешних условиях требует постоянной подстройки управляемых элементов с использованием специальной системы регулирования с обратной связью. Это значительно усложняет конструкцию модулятора и повышает энергопотребление.
Известен полностью пассивный способ регулировки волноводного интерферометра Маха-Цендера (см. заявка № JP 2006215159, МПК G02B 06/12, опубликована 17.08.2006), который заключается в том, что на поверхности волноводов размещают капли прозрачной оптической эпоксидной смолы, тем самым, изменяют эффективный показатель преломления выбранного участка. Данный способ хорошо подходит для подстройки разности фаз в плечах интерферометра Маха-Цендера (рабочей точки), т.е. положения максимумов и минимумов интерференционной картины, однако плохо применим для подстройки контраста интерференционной картины (балансировки потерь в плечах интерферометра), поскольку прозрачная эпоксидная смола слабо влияет на удельные оптические потери. Кроме того, эпоксидная смола имеет показатель преломления меньше чем оптический волновод, что ограничивает эффективность ее влияния на интенсивность распространяющегося по оптическому волноводу излучения.
Известен способ подстройки коэффициента деления делителя оптической мощности (см. заявка № JP 11281838, G02B 06/122, 06/13, G02F 01/035, опубликована 27.03.1998), который заключается в том, что на поверхности разветвителя между его выходами с помощью мощного фокусированного лазерного излучения формируют паз и, тем самым, уменьшают перекачку излучения между волноводами разветвителя и уменьшают его коэффициент деления. Используя данный способ можно подстраивать делители оптической мощности в интерферометре Маха-Цендера и подстраивать его контраст. Известный способ требует для своей реализации физического повреждения материала подложки, на которой изготовлена схема, технически сложен в исполнении и позволяет производить подстройку коэффициента деления только в одну сторону.
Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков к настоящему техническому решению является способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера (см. заявка № RU 2646546 C1, МПК G02B 06/10, G02F 01/00, опубликована 05.03.2018), включающий подачу на входной волновод разветвителя в составе интерферометра Маха-Цендера на подложке ниобата лития рабочего оптического излучения, выбор для подстройки выходного волновода разветвителя, при освещении которого корректирующим импульсным лазерным излучением с плотностью мощности излучения в импульсе не менее 1013 Вт/см2 наблюдают изменение величин сигналов рабочего оптического излучения по изменению контраста интерференционной картины интерферометра Маха-Цендера.
Известный способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера основан на изменении коэффициента деления его волноводного разветвителя путем изменения коэффициента преломления в выбранном участке разветвителя, что неизбежно вносит дополнительный сдвиг фаз между оптическими сигналами в плечах интерферометра. Известный способ обладает низкой точностью подстройки, так как после превышения порогового значения интенсивности, что требуется для обеспечения стабильности подстройки, в области засветки происходит оптическое повреждение кристаллической решетки подложки, результат которого определяется большим количеством параметров материала подложки, включающим наличие или отсутствие микроскопических дефектов решетки на поверхности и в толще, точный ионный состав подложки в области подстройки, которые невозможно определить заранее для фабричного устройства. Кроме этого, точная подстройка интегрально-оптического разветвителя по известному способу осложняется тем, что величина изменения коэффициента деления не зависит линейно от времени засветки. Также необходимо отметить, что отклонения и артефакты, неизбежно возникающие в процессе формирования волноводного разветвителя, могут сильно влиять на чувствительность конкретного разветвителя к засветке, что проявляется в резком скачке коэффициента деления в начале процесса подстройки.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка способа подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера увеличенной точности.
Поставленная задача решается тем, что способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера включает предварительное формирование на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра областей металлизации, подачу на вход интерферометра рабочего оптического излучения, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 103 Вт/мм2 до изменения величины сигнала рабочего оптического излучения на выходе интерферометра, воздействие на выбранный для подстройки участок плеча интерферометра в области металлизации пятном упомянутого выше корректирующего лазерного излучения до момента достижения заданной величины контраста интерферометра. Новым в настоящем способе является тот факт, что на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра предварительно формируются области металлизации, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра и подстройка осуществляются путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 103 Вт/мм2.
Диаметром 5-10 мкм пятна корректирующего лазерного излучения соответствует ширине типичных диффузных оптических волноводов, а его интенсивность выбрана выше порогового значения в 103 Вт/мм2, что соответствует началу процесса термического окисления в области засветки металлического покрытия
Интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера может быть изготовлен на подложке ниобата лития.
Области металлизации могут быть выполнены из титана.
Толщина области металлизации может составлять от 5 до 50 нм.
Корректирующие лазерное излучение может имеет длину волны 0,2 - 2 мкм.
Предложенный способ подстройки обладает повышенной точностью по сравнению с прототипом, так как в данном случае выполняется засветка и модификация области металлизации на поверхности диффузного волновода, которая формируется путем напыления и, соответственно, обладает существенно большей однородностью, а также меньшим количеством артефактов, по сравнению с подложкой интегрально-оптической схемы, которая изготовляется путем механического выделения из объема монокристалла и последующей полировки. В отличие от прототипа, предложенный метод может быть применен для высокоточной подстройки фабричных интегрально-оптических схем и может быть реализован на этапе их производства в автоматическом режиме, так как изменение интенсивности в подстраиваемом плече интерферометра линейно зависит от длины области засветки металлического покрытия на поверхности оптического волновода. Кроме того, повышенная точность подстройки обеспечивается существенно более низкой мощностью корректирующего излучения, по сравнению с прототипом, которое полностью поглощается объемом металлического покрытия, что позволяет, в отличие от прототипа, производить подстройку интегрально-оптических схем без воздействия на лежащую ниже области металлизации волноводную структуру и, тем самым, минимизировать влияние неточностей и артефактов технологического процесса формирования оптических волноводов на результат подстройки.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, представленными с целью иллюстрации, но не для ограничения, где:
на фиг. 1 приведена схема устройства для подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера;
на фиг. 2 приведен вид сверху интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера;
Устройство (фиг 1.2) включает подстраиваемый интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера 1, состоящий из входного делителя оптической мощности 2, плеч интерферометра 3 и 4, образованных прямыми волноводами с областями металлизации 5 и 6 и фазовым модулятором 7, и выходного разветвителя 8; трехосную прецизионную подвижку 9; источник рабочего оптического излучения 10; источник корректирующего лазерного излучения 11; оптическую систему формирования сфокусированного пятна 12; оптический микроскоп 13; фотоприемник 14; источник напряжения смещения 15.
Для реализации настоящего способа подстройки в плечах интерферометра 3 и 4 на верхней поверхности волноводов изготавливают области металлизации 5 и 6, например, равного размера толщиной от 5 до 50 нм. Рабочее оптическое излучение от источника 10 подают на входной делитель оптической мощности 2 интерферометра 1. Обычно используют когерентное излучение источника 10 (полупроводникового лазера с распределенной обратной связью) в характерном телекоммуникационном диапазоне длин волн (1300-1600 нм). В состав интерферометра 1 также входят электроды фазовой модуляции 7, подключенные к источнику смещения 15, обеспечивающие модуляцию разности фаз между плечами интерферометра 3 и 4 с амплитудой 2п, которая на выходном делителе оптической мощности 8 преобразуется в модуляцию интенсивности и регистрируется фотоприемником 14.
Настоящий способ подстройки контраста интерферометра Маха-Цендера осуществляется следующим образом.
Вначале на вход делителя оптической мощности 2 подстраиваемого интерферометра 1 подают рабочее оптическое излучение от источника 10. Изменяя напряжение смещения на электродах 7 и наблюдая при помощи фотоприемника 14 изменение мощности рабочего оптического излучения на выходе делителя оптической мощности 8, определяют контраст интерферометра. Пятном корректирующего излучения от источника 11 с малым диаметром D от 5 до 10 мкм, сформированным оптической системой 12, локально засвечивают область металлизации 5 на поверхности волновода в плече 3 интерферометра 1. В микроскоп 13 контролируют окисление металлической пленки, проявляющееся как локальная прозрачность. Изменяя напряжение смещения на электродах 7 и наблюдая при помощи фотоприемника 14 изменение мощности рабочего оптического излучения на выходе делителя оптической мощности 8, определяют изменение контраста интерферометра. Если контраст увеличился, подстройку контраста проводят в данном плече интерферометра, если контраст снизился, переходят на подстройку в области металлизации 6 плеча 4 интерферометра 1. Подстройку проводят путем перемещения пятна по металлической пленке вдоль волновода за счет перемещения образца на прецизионной трехосной подвижке 9, что контролируется в микроскоп 13. Скорость перемещения выбирают достаточно медленную, чтобы обеспечивать окисление на полную толщину металлической пленки. При подстройке проводят постоянный мониторинг изменения контраста интерферометра, изменяя напряжение смещения на электродах 7 и наблюдая при помощи фотоприемника 14 изменение мощности рабочего оптического излучения на выходе делителя оптической мощности 8. При достижении заданного значения контраста перемещение останавливается.
Настоящий способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера был экспериментально апробирован, для повышения контраста интегрально-оптического модулятора на основе ниобата лития. На чипе модулятора прямо на поверхности прямых волноводов в обоих плечах интерферометра на длине 200 мкм была сформирована титановая пленка толщиной 5 нм. Во входной волновод интерферометра при помощи оптоволокна было введено рабочее оптическое излучение с длиной волны 1550 нм и мощностью 1 дБм. В качестве источника корректирующего лазерного излучения использовался полупроводниковый лазерный диод с длиной волны излучения 976 нм, имеющий выход в виде одномодового волоконно-оптического пигтэйла. Пятно корректирующего излучения с диаметром D ~ 10 мкм, площадью ~ 80 мкм2 и интенсивность около 7.5 кВт/мм2, было сформировано пучком, выходящим из волоконно-оптического пигтэйла, находящегося на расстоянии ~ 3 мкм от поверхности чипа. Чип модулятора был закреплен на прецизионной трех-координатной микроподвижки, при помощи которой выполнялось перемещение пятна корректирующего излучения по поверхности чипа со скоростью 1 мм/с. Контроль величины контраста модуляции осуществлялся по уровню оптической мощности, соответствующей минимуму передаточной характеристики модулятора, для достижения которой к электродам модулятора прикладывалось необходимое напряжение смещения. По результатам подстройки было получено увеличение контраста модуляции сигнала на выходе модулятора с 30 до 48 дБ, что соответствует выравниванию оптических потерь в плечах интерферометра на уровне 0,03 дБ.
Claims (5)
1. Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера, включающий предварительное формирование на поверхности волноводов в обоих плечах интерферометра областей металлизации, подачу на вход интерферометра рабочего оптического излучения, выбор для подстройки интенсивности плеча интерферометра путем воздействия на области металлизации пятном корректирующего лазерного излучения диаметром 5-10 мкм и интенсивностью от 103 Вт/мм2 до изменения величины сигнала рабочего оптического излучения на выходе интерферометра, воздействие на выбранный для подстройки участок плеча интерферометра в области металлизации пятном упомянутого выше корректирующего лазерного излучения до момента достижения заданной величины контраста интерферометра.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера изготовлен на подложке ниобата лития.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что области металлизации выполнены из титана.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что толщина области металлизации составляет от 5 до 50 нм.
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что корректирующее излучение имеет длину волны 0,2-2 мкм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020141935A RU2754205C1 (ru) | 2020-12-17 | 2020-12-17 | Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра маха-цендера |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020141935A RU2754205C1 (ru) | 2020-12-17 | 2020-12-17 | Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра маха-цендера |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2754205C1 true RU2754205C1 (ru) | 2021-08-30 |
Family
ID=77669845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020141935A RU2754205C1 (ru) | 2020-12-17 | 2020-12-17 | Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра маха-цендера |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2754205C1 (ru) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005181757A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-07 | Advantest Corp | マッハ・ツェンダー干渉計、光結合器及び光結合器の製造方法 |
| US7253943B2 (en) * | 2003-09-05 | 2007-08-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Phase optimization apparatus and method for obtaining maximum extinction ratio in mach-zehnder interferometer wavelength converter using cross phase modulation of semiconductor optical amplifier |
-
2020
- 2020-12-17 RU RU2020141935A patent/RU2754205C1/ru active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7253943B2 (en) * | 2003-09-05 | 2007-08-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Phase optimization apparatus and method for obtaining maximum extinction ratio in mach-zehnder interferometer wavelength converter using cross phase modulation of semiconductor optical amplifier |
| JP2005181757A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-07 | Advantest Corp | マッハ・ツェンダー干渉計、光結合器及び光結合器の製造方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C. M. Wilkes, X. Qiang, J. Wang, R. Santagati, S. Paesani, X. Zhou, D. A. B. Miller, G. D. Marshall, M. G. Thompson, and J. L. O’Brien, "60 dB high-extinction auto-configured Mach-Zehnder interferometer", Opt. Lett. 41, 5318-5321 (2016). * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2289201C (en) | Photonic crystal-based integrated optical circuit | |
| EP1067409A2 (en) | Optical device having modified transmission characteristics by localized thermal treatment | |
| AU2003227954A1 (en) | Fabrication of waveguides and bragg gratings with uv-irradiation | |
| CN105425033B (zh) | 一种包含双环耦合硅基光子芯片的微波光子频率测量系统 | |
| CN115032818A (zh) | 基于相变材料薄膜可重构的光子集成芯片及其加工方法 | |
| Caccavale et al. | A finite differences method for the reconstruction of refractive index profiles from near-field measurements | |
| Milosevic et al. | Ion implantation of germanium into silicon for critical coupling control of racetrack resonators | |
| RU2754205C1 (ru) | Способ подстройки интегрально-оптического интерферометра маха-цендера | |
| KR100607982B1 (ko) | 도파관과 전력 모니터를 가진 광결합층을 가진 가변 광학감쇠기 | |
| US20230185119A1 (en) | Devices and methods for low voltage optical modulation | |
| CN111308612B (zh) | 一种反mmi型波导马赫-曾德干涉器的制备方法 | |
| US4334774A (en) | Alignment of optical components | |
| Salgueiro et al. | System for laser writing to lithograph masks for integrated optics | |
| RU2646546C1 (ru) | Способ подстройки коэффициента деления волноводного разветвителя на подложке ниобата лития | |
| CN114815330B (zh) | 一种可精确调控干涉臂相位的mzi型光开关及制备方法 | |
| CN1371001A (zh) | 一种光栅的制造装置及光栅的制造方法 | |
| Kostritskii et al. | Optical voltage sensor based on Mach-Zehnder LiNbO3 interferometer and fibre-optical technology | |
| CN114578478A (zh) | 一种带有功率均衡作用的波分复用系统及其制备方法 | |
| Persegol et al. | Integrated optics interferometer for high precision displacement measurement | |
| JPH11287916A (ja) | 光導波路素子 | |
| Azuma et al. | Fabrication of Multimode Polymer Optical Waveguide Based Splitter by the Mosquito Method and Investigation of Its Signal Splitting Ratio | |
| CN114859577B (zh) | 一种基于生物组织成像的自适应光学校正系统 | |
| RU2796501C1 (ru) | Способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов на основе микроструктурирования поверхности | |
| US4455063A (en) | Luneburg lens for waveguide with graded index profile | |
| US4428644A (en) | Alignment of optical components |