Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из наиболее перспективных областей практического применения интегрально-оптических устройств являются аналоговые оптические системы передачи и обработки информации, d частности, сенсорные системы н волоконно-оптические лиьии связи. Наиболее подходят для использования в них волноводные элсктрооптические модуляторы, ере-' ди которых следует отметить Интегрально-оптический интерферометр Маха-Цендера на основе канальных волноводов в ннобате лития. По сравнению с другими типами модуляторов его характеристики менее критичны к параметрам волновода, что снижает требования к точности технологических продессов при изготовлении структуры и повышает воспроизводимость параметров устройства.' Кроме того, существует хорошо отработанная технология изготовления оптических волноводов в данном материале.
Интерес к использованию интегрально-оптических модуляторов (ЙОМ) вызван прежде всего тем, что они обладают низкими управляющими напряжениями и высоким быстродействием, компактны, удобны для стыковки с волоконными световодами, а также обеспечивают инертность датчика к внешней среде (для химических и биологических применений) я исключают внесение искажений в пространственное распределение электромагнитных полей при их измерениях. К настоящему времена продемонстрирована возможность применения ИОМ в качестве чувствительных элементов сенсорных систем для измерения напряженности электромагнитного поля, температуры, перемещения, а также как оконечных устройств в лилиях связи.
Однако, для включения ЙОМ d конкретную систему обработки информации необходимо выполнить ряд дополнительных требований. Для аналоговых систем одним из основных таких условий является минимум вносимых модулятором нелинейных искажений, что обеспечило бы чоз-можность создания систем с высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном. Наряду с оптимизацией динамических характеристик ИОМ ключевой задачей является также снижение оптических потерь, вносимых устройством в систему. Еще одним из основных направлений совершенствования ИОМ является расширение полосы частот
модуляции, что позволяет повисить быстродействие этих устройств и дает возможность их использования в широкополосных системах связи. Интерес практическому применению ИОМ стимулировал значительное количество работ, направленных на улучшение характеристик волиовод-ных устройств. Несмотря на это, детяется необходимость в разработке методик оптимизации параметров иктетрально-оцтнческого модулятора, которые позволяли бы решать указанные выше задачи и могли бы быть органично включены в технологический процесс изготовления устройства. Последнее обстоятельство играет существенную роль при широкомасштабном производстве ИОМ.
Таким образом, актуальность темы связана с необходимостью оптимизации характеристик интегрально-оптического устройств для их применения на практике и реализации больших потенциальных возможностей, предоставляемых этими устройствами в аналоговых системах передачи и обработки информации.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании н оптимизации характеристик ИОМ Маха-Цендера на основе одномо-довых волноводов в LiNb03 с учетом требований, предъявляемых к интегрально-оптическим устройствам в аналоговых системах передачи и обработки информации.
Научная новпзва работы заключалась в том, что:
-
Предложен метод восстановления профиля показателя преломления в одномодовых канальных Ті'.ІЛІЧЬОз - волноводах.
-
Определены границы применимости комбинированного метода распространяющегося луча.
-
Разработана методика жесткой стыковки одномодовых канальных волноводов и волоконных световодов, реализована стыковка волновода н световода с линзой на торце.
-
Предложен и экспериментально реализован метод раздельного определения потерь в волноводной структуре и па ее стыках с одвомс-довыми волоконными световодами.
-
Предложена и экспериментально реализована методика подстройки
рабочей точки и контраста модуляционной характеристики интерферометра Маха-Цспдсра.
-
Предложена и экспериментально реализована двз'хпомризациошіая методика линеаризации модуляционной характернее икя интерфе-ромстра Маха-Цендсра.
-
Предложена схема модулятора интерференционного типа с линейной модуляционной характеристикой.
-
Предложен аналоговый метод синтеза амлитудно-частотных характеристик модуляторов бегущей волны.
Практическая ценность работы состоит в разработке эксперямеп тальных методик, применение которых позволгет значительно повысить линейность модуляционной характеристики, снизить уровень линейных искажений, расширить полосу частот модуляции и снизить вносимые потери.
В работе решены следующие научные задачи;
-
Разработан метод восстановления профиля показателя преломления в одномодовых канальпых TiiLiNbCb -волноводах, исходя из экспериментально измеренных поля основпой моды и ее эффективного показателя преломления.
-
Проведен расчет зависимости потерь в Y-раэЕетвителях с различной топологией от длины участка разветвления. Установлено, что погрешность комбинированного метода распространяющегося луча находится в пределах 10%, если величина потерь в структуре не превышает ЗдБ. Экспериментально реализованы структуры с потерями - 0,5 дБ на раэветпитель.
-
При исследовании стыковки одномодовых волповода и световода с линзой на торце определены условия, при которых оптимальная поверхность линзы близка к асимметричному цпллппдру. При использовании циллиндрнческон липэы экспериментальное значение эффективности стыковки было повышено от 40% до 73%.
-
Отработана методпка жесткой стыковки 'одномодовых канальных TkLiNbOa - волноводов и волоконных световодов, обеспечивающая надежное их соединение при высокой (-90%) эффективности стыковки. На основе методика создан макет датчика электрического поля па основе модулятора Маха-Цендера с чувствительностью - 1,-5 ыВ/м и шириной полосы - 1ГГя
-
Разработая метод раздельного спределеопя потерь в волноводной структуре я на ее стыках с одномодовыми волокояеымн световодами, позволяющий проводить измерения непосредственно в процессе стыковки волновода с волокнами.
-
Разработала ыетодпка подстройки рабочей точки и контраста модуляционной характеристики интерферометра Маха-Цендера, позволяющая оптимизировать параметры модуляционной характеристики после изготовления ыодулятора, причем непосредственно а процессе стыковки волноводной структуры интерферометра со'световодами. Экпериментальпо продемонстрирована возможность подстраивать- начальную разность фаз интерферометра в широком диапазоне (І950 от начального значення) и значительно повысить контраст (до чОдБ).
-
Разработана двухголярпзационная методика линеаризации модуляционной характеристики модулятора Маха-Цендера, основывающаяся на возбуждении в интерферометре двух вола (ТМ и ТЕ) с взаимно ортогональными поляризациями. Теоретически установлено и экспериментально получено значительное повышение степени линейности модуляционной характеристики интерферометра при возбуждении этих волн с оптимальными соотношением интенсивно-стей и положениями рабочих точек: диапазон линейности возрос с 69% (для каждой из волн в отдельности) до D2%. При линеаризации модуляционной характеристики достигнуто расширение до 88дБ динамического диапазона аналоговой системы, содержащей модулатер Маха-Цеядера.
S. Предложена схема модулятора интерференционного типа, обеепе*ти: вающая высокую степень линейности (диапазон линейности до 98% до урсвшо 1% -процентного отклонения) модуляционной характе-
рпстнкп в. результате суммирования волн, испытавших переотражения от торцов волновода.
9. Разработан метод расширения полосы модулятора бегущей волны, обеспечивающий равномерную амплитудно-частотную характеристику в заданном частотном диапазоне без ограничения на снижение удельной мощности.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах отделов колебаний и волоконной оптнки Института общей физики АН СССР; на семинарах Университетов Г.Дортмунда и Падеборпа (ФРГ); на III Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике (Ереван, 1987); на VIII Всесоюзном совещенин-семинаре по оптическим методам обработки информации (Краснодар, 1990); на международных конференциях: Conference on Integrated and Guided-Wave Optics (Santa Fe, USA, 1988), 2nd Microoptics Conference MOC/GRIN (Kyoto, Japan, 1989), 2nd European Conference on Quantum Electronics, EQEC'89 (Dresden, 1989), II International Symposium on Surface Waves in Solids and Layered Structures (Varna, Bulgaria, 1989), SPIE Conference on Integrated Optical Circuits (Boston, USA, 1991).
Основные результаты диссертации опубликованы в 21 научной работе. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы.
