RU2794061C1 - Thin-film converter for electro-optical crystal - Google Patents
Thin-film converter for electro-optical crystal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794061C1 RU2794061C1 RU2022126610A RU2022126610A RU2794061C1 RU 2794061 C1 RU2794061 C1 RU 2794061C1 RU 2022126610 A RU2022126610 A RU 2022126610A RU 2022126610 A RU2022126610 A RU 2022126610A RU 2794061 C1 RU2794061 C1 RU 2794061C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electro
- optical
- waveguide
- substrate
- optical crystal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям электрического поля.The invention relates to measuring technology, namely to electric field transducers.
Электрооптический преобразователь может быть использован для измерения напряженности электрического поля. Таким образом, преобразователь может быть промышленно применимым и иметь следующие области применения:An electro-optical transducer can be used to measure the electric field strength. Thus, the converter can be industrially applicable and have the following applications:
- контрольно-измерительные испытания на электромагнитную совместимость;- control and measurement tests for electromagnetic compatibility;
- контроль и измерение радиосетей;- control and measurement of radio networks;
- измерение электрических полей в метрологических целях.- measurement of electric fields for metrological purposes.
Интегральная оптическая схема - фотонное устройство, изготовленное из оптически-проницаемого кристалла и выполняющее функции обработки оптических сигналов. Любая оптическая интегральная схема содержит в себе хотя бы один волновод. Волновод - это неоднородная структура, состоящая из сердцевины - материала с большим показателем преломления, и оболочки - материала с меньшим показателем преломления. Оболочка располагается вокруг сердцевины волновода, разность показателей преломления оболочки и сердцевины волновода приводит к эффекту полного внутреннего отражения. Таким образом, свет распространяющиеся по волноводу, отражаясь от границы раздела оболочки и сердцевины, не выходит за предел волновода.Integrated optical circuit - a photonic device made of an optically transparent crystal and performing the functions of processing optical signals. Any optical integrated circuit contains at least one waveguide. A waveguide is an inhomogeneous structure consisting of a core, a material with a high refractive index, and a cladding, a material with a lower refractive index. The shell is located around the core of the waveguide, the difference between the refractive indices of the shell and the core of the waveguide leads to the effect of total internal reflection. Thus, the light propagating along the waveguide, reflected from the interface between the cladding and the core, does not go beyond the waveguide.
Интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ) - типовая волноводная структура, широко используемая в интегральной оптике. ИМЦ состоит из двух прямолинейных волноводов (входной и выходной); двух Y-муфт - волноводов, расходящихся на 2 волновода; плечей - двух параллельных прямолинейных волноводов, соединяющих две Y-муфты между собой. К выходу входного волновода присоединена первая Y-муфта, играющая роль разветвителя, к выходам первой муфты присоединены плечи - два прямолинейных параллельных волновода, соединяющих выход первой муфты со входами второй муфты, играющей роль соединителя, выход второй муфты соединяется с выходным волноводом.The Mach-Zehnder interferometer (MZI) is a typical waveguide structure widely used in integrated optics. The IMC consists of two rectilinear waveguides (input and output); two Y-couplings - waveguides diverging into 2 waveguides; arms - two parallel rectilinear waveguides connecting two Y-couplings to each other. The first Y-coupling, which plays the role of a splitter, is connected to the output of the input waveguide, shoulders are connected to the outputs of the first coupling - two rectilinear parallel waveguides connecting the output of the first coupling with the inputs of the second coupling, which plays the role of a connector, the output of the second coupling is connected to the output waveguide.
Использование оптических интегральных схем на основе тонких пленок электрооптических кристаллов при разработке электрооптических сенсоров и преобразователей позволит уменьшить размер устройств и, соответственно, увеличить диапазон частот, в котором возможно проводить измерения.The use of optical integrated circuits based on thin films of electro-optical crystals in the development of electro-optical sensors and converters will make it possible to reduce the size of devices and, accordingly, increase the frequency range in which measurements can be performed.
Известен электрооптический сенсор электрического поля, основанный на интерферометре Фабри-Перо (US 5041779A, Int. Cl. G01R 31/00, опубл. 20.08.1991). Недостатком этого сенсора является использование объемных оптических элементов (такие как линзы, зеркала и пр.) и также использование объемного образца электрооптического кристалла в качестве чувствительного элемента, что делает невозможным исполнение такой конструкции в интегральном исполнении и также ограничивает возможности по ее миниатюризации.Known electro-optical sensor of the electric field, based on the Fabry-Perot interferometer (US 5041779A, Int. Cl. G01R 31/00, publ. 20.08.1991). The disadvantage of this sensor is the use of bulk optical elements (such as lenses, mirrors, etc.) and also the use of a bulk sample of an electro-optical crystal as a sensitive element, which makes it impossible to implement such a design in an integrated design and also limits the possibilities for its miniaturization.
Известен электрооптический сенсор электрического поля, основанный на ячейке Поккельса (CA 2239722C, Int. Cl. G01R 31/00, опубл. 19.06.1997). Недостаток данного технического решения заключается в том, что модулятор на основе ячейки Поккельса имеет в два раза меньший динамический диапазон по сравнению с модулятором в конфигурации интерферометра Маха-Цендера.Known electro-optical sensor of the electric field, based on the Pockels cell (CA 2239722C, Int. Cl. G01R 31/00, publ. 19.06.1997). The disadvantage of this technical solution is that the modulator based on the Pockels cell has half the dynamic range compared to the modulator in the configuration of the Mach-Zehnder interferometer.
Известен электрооптический сенсор электрического поля, основанный на оптическом волокне с использованием нелинейного электрооптического эффекта Керра (US 005936395A, Int. Cl. G01R 31/00, опубл. 10.08.1999). Недостаток данного технического решения заключается в усложнении детектирования в виду использования нелинейного электрооптического эффекта. Детектирование в случае квадратичного электрооптического эффекта, по сравнению со случаем линейного электрооптического эффекта, усложняется тем, что для извлечения информации о величине воздействующего на сенсор электрического поля потребуется исполнение более сложной математической операции, в виду нелинейной характеристики изменения фазы, что может негативно сказаться на скоростных характеристиках сенсора.Known electro-optical sensor of the electric field, based on an optical fiber using a nonlinear electro-optical Kerr effect (US 005936395A, Int. Cl. G01R 31/00, publ. 10.08.1999). The disadvantage of this technical solution lies in the complexity of detection due to the use of a nonlinear electro-optical effect. Detection in the case of a quadratic electro-optical effect, in comparison with the case of a linear electro-optical effect, is complicated by the fact that in order to extract information about the magnitude of the electric field acting on the sensor, a more complex mathematical operation will be required, in view of the nonlinear characteristic of the phase change, which can adversely affect the speed characteristics sensor.
Известен электрооптический сенсор, основанный на ИМЦ с доменно-инвертированной структурой в одном из плеч (US 5267336A, Int. Cl. G02B 6/10, опубл. 30.11.1993). Недостатком данного электрооптического сенсора является использование методов формирования волноводных структур (метод диффузии титана в объемный кристалл ниобата лития или метод протонного обмена в объемном кристалле ниобата лития), не предполагающих возможность миниатюризации волноводных структур.Known electro-optical sensor based on the MMC with a domain-inverted structure in one of the shoulders (US 5267336A, Int. Cl.
Прототипом устройства является электрооптический сенсор электрического поля, основанный на двух фазовращательных оптических волноводах (US 005488677A, Int. Cl. G02F 1/035, опубл. 30.01.1996). Прототип состоит из оптической волноводной схемы ИМЦ, выполненной на подложке, корпуса, содержащего ИМЦ, электроды, расположенные в области плеч ИМЦ и подключенные к антенне, закрепленной на корпусе. Недостатком прототипа является необходимость подключения внешнего источника лазерного излучения и приемника лазерного излучения.The prototype of the device is an electro-optical electric field sensor based on two phase-shifting optical waveguides (US 005488677A, Int. Cl.
Предлагаемый преобразователь, также как и прототип, имеет оптическую волноводную схему ИМЦ, сформированную на подложке из кремния и диоксида кремния, имеет вынесенную за пределы оптической схемы антенну и электроды, расположенные параллельно плечам ИМЦ, подключенные к антенне.The proposed converter, as well as the prototype, has an optical waveguide circuit MMC formed on a substrate of silicon and silicon dioxide, has an antenna placed outside the optical circuit and electrodes located parallel to the arms of the MMC connected to the antenna.
К существенным признаками предлагаемого преобразователя, как технического решения, относятся: The essential features of the proposed converter as a technical solution include:
1) наличие волноводных структур, сформированных из гребенчатых волноводов;1) the presence of waveguide structures formed from comb waveguides;
2) использование в качестве основы для формирования гребенчатых волноводов, тонких пленок электрооптического кристалла на подложке из кремния и диоксида кремния;2) use as a basis for the formation of ridge waveguides, thin films of an electro-optical crystal on a substrate of silicon and silicon dioxide;
3) наличие лазера и фотодетектора, монолитно интегрированных в подложку.3) the presence of a laser and a photodetector integrally integrated into the substrate.
Преобразователь основан на ИМЦ, сформированном на основе гребенчатых волноводов, на подложке из кремния и диоксида кремния. Использование подложки из кремния и диоксида кремния позволяет интегрировать в подложку оптоэлектронную часть сенсорной системы, что делает возможным расположение всей сенсорной системы на одном чипе.The transducer is based on a ridge waveguide MMC on a silicon and silicon dioxide substrate. The use of a substrate made of silicon and silicon dioxide makes it possible to integrate the optoelectronic part of the sensor system into the substrate, which makes it possible to locate the entire sensor system on a single chip.
Техническим результатом изобретения является миниатюризация устройства, увеличение полосы рабочих частот и монолитная интеграция оптоэлектронных компонент в полупроводниковую подложку.The technical result of the invention is the miniaturization of the device, the increase in the operating frequency band and the monolithic integration of optoelectronic components into a semiconductor substrate.
Технический результат миниатюризации достигается за счет использования тонких пленок электрооптического кристалла в качестве основы для волноводных структур.The technical result of miniaturization is achieved through the use of thin films of an electro-optical crystal as a basis for waveguide structures.
Технический результат увеличение полосы частот достигается за счет того, что использование тонких пленок в качестве основы для формирования гребенчатых волноводов позволяет уменьшить длину ИМЦ, что позволяет использовать более короткие электроды, способные передавать более высокочастотные сигналы, для подачи электрического поля.The technical result of the increase in the frequency band is achieved due to the fact that the use of thin films as a basis for the formation of comb waveguides makes it possible to reduce the length of the MMC, which allows the use of shorter electrodes capable of transmitting higher frequency signals to supply an electric field.
Данный технический результат подтверждается математически. Ширина частотной полосы пропускания электродов по уровню -3 дБ определяется выражением:This technical result is confirmed mathematically. The bandwidth of the electrodes at the level of -3 dB is determined by the expression:
где c - скорость света в вакууме, n 1 - показатель преломления тонкой пленки электрооптического кристалла, из которой сформированы волноводные структуры, ε r - относительная диэлектрическая проницаемость тонкой пленки электрооптического кристалла, L - длина электродов. Из выражения (1) ясно, что поскольку ширина полосы пропускания обратно пропорциональна длине электродов, то уменьшение длины электродов, возможное благодаря миниатюризации оптической волноводной схемы, приведет к увеличению полосы пропускания электродов.where c is the speed of light in vacuum, n 1 is the refractive index of a thin film of an electro-optical crystal from which waveguide structures are formed, ε r is the relative permittivity of a thin film of an electro-optical crystal, L is the length of the electrodes. It is clear from expression (1) that since the bandwidth is inversely proportional to the length of the electrodes, the reduction in the length of the electrodes, which is possible due to the miniaturization of the optical waveguide circuit, will lead to an increase in the bandwidth of the electrodes.
Технический результат интеграция оптоэлектронных компонент в подложку достигается за счет использования подложки из кремния и диоксида кремния.The technical result of the integration of optoelectronic components into the substrate is achieved through the use of a substrate of silicon and silicon dioxide.
Принцип работы преобразователя заключается в электрооптической модуляции интенсивности лазерного излучения внешним электрическим полем. Уровень интенсивности излучения на выходе волноводных структур изменяется в зависимости от напряженности внешнего электрического поля.The principle of operation of the transducer is electro-optical modulation of the laser radiation intensity by an external electric field. The level of radiation intensity at the output of waveguide structures varies depending on the strength of the external electric field.
На фиг.1 изображена схема устройства: 1 - вынесенная антенна, 2 - электроды, расположенные параллельно плечам ИМЦ; 3 - монолитно интегрированный в кремниевую подложку источник лазерного излучения; 4 - входной волновод ИМЦ выполненный из тонкой пленки электрооптического кристалла; 5 - Y-муфта ИМЦ, играющая роль разветвителя оптической мощности, выполненная из тонкой пленки электрооптического кристалла; 6 - плечи ИМЦ; 7 - Y-муфта ИМЦ, играющая роль соединителя оптической мощности; 8 - выходной волновод ИМЦ; 9- монолитно интегрированный в подложку фотодетектор.Figure 1 shows a diagram of the device: 1 - remote antenna, 2 - electrodes located parallel to the shoulders of the IMC; 3 - monolithically integrated into the silicon substrate source of laser radiation; 4 - IMC input waveguide made of a thin film of an electro-optical crystal; 5 - Y-coupling of the IMC, which plays the role of an optical power splitter, made of a thin film of an electro-optical crystal; 6 - shoulders of the IMC; 7 - Y-coupling IMC, which plays the role of an optical power connector; 8 - output waveguide IMC; 9 - photodetector monolithically integrated into the substrate.
Вышеописанная волноводная структура ИМЦ, сформированная из гребенчатых волноводов расположена на подложке из кремния и диоксида кремния. Ко входному волноводу ИМЦ пристыкован монолитно интегрированный в подложку источник лазерного излучения, к выходу ИМЦ - монолитно интегрированный в подложку фотодетектор. Параллельно плечам ИМЦ установлены электроды, подключенные к внешним антеннам.The above-described waveguide structure of the MMC, formed from ridge waveguides, is located on a substrate of silicon and silicon dioxide. A laser radiation source monolithically integrated into the substrate is docked to the input waveguide of the MMC, and a photodetector monolithically integrated into the substrate is attached to the output of the MMC. Parallel to the arms of the MMC, electrodes connected to external antennas are installed.
Внешнее электрическое поле передается с антенны (1) на электроды (2) установленные параллельно плечам ИМЦ (6), из-за чего в плече ИМЦ (6) возникает линейный электрооптический эффект. Лазерный излучатель (3) направляет свое излучение в ИМЦ через входной волновод (4), излучение распространяется через Y-муфту (5), играющую роль разветвителя, проходит через плечи ИМЦ (6), разделенные потоки излучения встречаются во второй Y-муфте (7), играющей роль соединителя, выходят в выходной волновод ИМЦ (8) и попадают на монолитно интегрированный в подложку фотодетектор (9). Наличие электрооптического эффекта в плече ИМЦ (6) вызывает изменение величины интенсивности лазерного излучения. Приемник фиксирует величину интенсивности излучения на выходе из интерферометра. Уровень интенсивности оптического излучения, измеренный фотодетектором, позволяет сделать вывод о наличии электрического поля во внешней среде и определить величину напряженности поля.The external electric field is transmitted from the antenna (1) to the electrodes (2) installed parallel to the arms of the MMC (6), due to which a linear electro-optical effect occurs in the arm of the MMC (6). The laser emitter (3) directs its radiation into the MMC through the input waveguide (4), the radiation propagates through the Y-coupling (5), which plays the role of a splitter, passes through the arms of the MMC (6), the separated radiation fluxes meet in the second Y-coupling (7 ), which plays the role of a connector, go to the output waveguide of the MMC (8) and fall on the photodetector (9) monolithically integrated into the substrate. The presence of an electro-optical effect in the arm of the MMC (6) causes a change in the intensity of the laser radiation. The receiver fixes the magnitude of the radiation intensity at the output of the interferometer. The level of optical radiation intensity measured by a photodetector allows us to conclude that there is an electric field in the external environment and determine the magnitude of the field strength.
Поскольку предлагаемый преобразователь содержит в себе оптическую тонкопленочную интегральную волноводную схему на подложке из кремния и диоксида кремния, в качестве материала для изготовления волноводной оптической схемы может служить любой электрооптический кристалл, который может быть изготовлен в виде тонкой пленки и имеет показатель преломления больший, чем у диоксида кремния. Таким образом, электрооптическими кристаллами, подходящими под вышеизложенный критерий, являются: ниобат лития, танталат лития и дигидрофосфат калия.Since the proposed converter contains an optical thin-film integrated waveguide circuit on a substrate of silicon and silicon dioxide, any electro-optical crystal that can be made in the form of a thin film and has a refractive index greater than that of dioxide can serve as a material for manufacturing a waveguide optical circuit. silicon. Thus, electro-optical crystals that meet the above criteria are: lithium niobate, lithium tantalate, and potassium dihydrogen phosphate.
На фиг.2 изображен вид на оптическую волноводную схему ИМЦ сверху: 10 - слой диоксида кремния.Figure 2 shows a top view of the optical waveguide scheme of the IMC: 10 - layer of silicon dioxide.
Аналогично, на фиг.3 представлен вид на оптическую волноводную схему спереди: 11 - кремниевая основа подложки.Similarly, figure 3 shows a front view of the optical waveguide circuit: 11 - silicon base of the substrate.
На фиг.4 изображена зависимость коэффициента передачи ИМЦ, выполненного из электрооптического кристалла, по интенсивности от величины приложенного напряжения.Figure 4 shows the dependence of the transmission coefficient of the IMC, made of an electro-optical crystal, intensity on the magnitude of the applied voltage.
На фиг.5 изображен поперечный срез примера реализации гребенчатого волновода из тонкой пленки электрооптического кристалла на подложке из кремния и диоксида кремния: 12 - гребенчатый волновод из тонкой пленки электрооптического кристалла.Figure 5 shows a cross section of an example implementation of a comb waveguide from a thin film of an electro-optical crystal on a substrate of silicon and silicon dioxide: 12 - a comb waveguide from a thin film of an electro-optical crystal.
Claims (4)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2794061C1 true RU2794061C1 (en) | 2023-04-11 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6208454B1 (en) * | 1997-12-23 | 2001-03-27 | Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp | All-optical mach-zehnder wavelength converter with monolithically integrated laser |
RU2405179C1 (en) * | 2009-10-13 | 2010-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Electrooptic modulator on mach-zehnder interferometre circuit |
CN105158850A (en) * | 2015-07-23 | 2015-12-16 | 电子科技大学 | Electro-optic mode converter with Mach-Zehnder interferometer structure and implementing method thereof |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6208454B1 (en) * | 1997-12-23 | 2001-03-27 | Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp | All-optical mach-zehnder wavelength converter with monolithically integrated laser |
RU2405179C1 (en) * | 2009-10-13 | 2010-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Electrooptic modulator on mach-zehnder interferometre circuit |
CN105158850A (en) * | 2015-07-23 | 2015-12-16 | 电子科技大学 | Electro-optic mode converter with Mach-Zehnder interferometer structure and implementing method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10393785B2 (en) | Optical sensing device for two-dimensional electric field measurement | |
US5465043A (en) | Non-contact type probe and non-contact type voltage measuring apparatus, wherein the probe's irradiation surface is coated with a conductive film having a pinhole | |
CN112833873A (en) | Photonic integrated chip and interference type optical fiber gyroscope | |
CN107561373A (en) | A kind of single fiber integrated light guide electric field measurement system and method | |
JPS59171819A (en) | Optical fiber hydrophone | |
CN107390146A (en) | A kind of integrated light guide magnetic field measurement system and method | |
US8901477B2 (en) | Electromagnetic wave detection device | |
CN104792418B (en) | End face oblique reflection fiber waveguide fourier spectrometer | |
RU2794061C1 (en) | Thin-film converter for electro-optical crystal | |
CN109975618B (en) | Integrated optical waveguide electric field sensing chip, system and method for inhibiting direct current drift | |
Yu et al. | Small form factor thin film polymer modulators for telecom applications | |
RU2762530C1 (en) | Interferometric fiber-optic gyroscope | |
RU83340U1 (en) | NON-CONTACT THERMOSTABLE VOLTAGE SENSOR OF CONSTANT AND VARIABLE ELECTRIC FIELDS BASED ON ELECTRO-OPTICAL EFFECT IN CRYSTAL Bi12SiO20 (BSO) | |
CN114690453A (en) | Piezoelectric-elastic optical phase shifter and optical gyroscope SiN integrated chip | |
JP3063138B2 (en) | Waveguide type wavelength measuring device | |
Kim et al. | Birefringent axes aligning system for electro-optic probe fabrication using polarization maintaining fiber | |
RU2539130C1 (en) | Fibre-optic device for measurement of electric field intensity | |
JP6871560B2 (en) | Optical integrated circuit and control method of optical integrated circuit | |
JPH09113557A (en) | Operating point adjusting method for electric field sensor and electric field sensor | |
Gaylord et al. | Passive integrated optical anisotropy-based devices | |
D'Orazio et al. | Design and demonstration of interferometric integrated-optic sensors in Ti: LiNbO3 waveguides | |
JP3435584B2 (en) | Electric field sensor head and electric field sensor | |
Beaumont et al. | Nondestructive technique for rapidly assessing the stability of lithium niobate electrooptic waveguide devices | |
JP3355502B2 (en) | Electric field sensor | |
Khial et al. | A Chip-Scale Nanophotonic Optical Gyroscope |