Выбрав направление осей кристалла ниобата лития (LiNbOs) так, как показано на рис. 4.17, с помощью электродов на верхней и нижней поверхности кристалла можно прикладывать вдоль оси Z электрическое напряжение. Поскольку при этом вдоль оси Z значительно изменяется коэффициент преломления, необыкновенный луч падает на кристалл так, что его линейная поляризация совпадает с осью z. Напряженность электрического поля света, проходящего через кристалл, описывается следующим выражением:

£(0 = £osin[cu< + i)(0]. (4.18)

При этом, если функция возрастает линейно (рис.

4.18,fl), т. е.

() = Ш(0 = со1<. (4.19)

и если в формулу (4.18) подставить выражение (4.19), то

Е (t) = £0 sin ((At + (nj) = £0 sin [((0 + (Oi) t], (4.20)

из чего следует, что происходит сдвиг частоты.

Однако на практике использование напряжения, изменяющегося по закону (4.19), не имеет смысла и применяется напряжение пилообразной формы (рис. 4.18,6). Основная проблема в этом случае - обеспечение максимальной крутизны среза пилообразного напряжения, чтобы исключить многочисленные высокочастотные составляющие.

4.7. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

До СИХ пор рассматривались оптические элементы, которые применяются при создании волоконно-оптических систем измерения. В любом случае это были объемные приборы. При их комбинировании необходимо согласование оптических осей, и одна из обычных проблем - стабильность оптической оси. Эту проблему в значительной степени можно решить путем интеграции приборов.

Интегральной оптической схемой считается устройство, в котором на одной подложке компонуется несколько оптических элементов. Следовательно, используя для системы обработки оптических сигналов (необходимой в волоконно-оптических датчиках) тоикопленочную волиоводную технику и интегральную технологию, т. е. создавая волноводные оптические системы, можно повысить стабильность параметров датчиков. Кроме того, если в волноводе, созданном на поверхности пластины, под воздействием внешних факторов (механических, температурных и др.) будет изменяться фаза или интенсивность света, то волновод может служить чувствительной частью датчика. Устройство, в котором тонкопленочный волновод используется в этом качестве, называется волноводным датчиком.

В настоящее время волноводные оптические системы и волноводные датчики находятся на стадии исследования, а значит, это изделие ближайшего будущего. Здесь же в отличие от описанных ранее оптических изделий объемного типа рассматриваются волноводные элементы, пригодные для интеграции, а также особенности их реализации.

Принцип распространения света в тонкоплеиочной волноводной системе совпадает с таковым для оптического волокна, т. е. световая волна, попавшая в волновод, распространяется в нем благодаря тому, что коэффициент преломления волноводной среды несколько выше коэффициента преломления окружающей среды. Типичные материалы подложки - стекло, кристалл сегнетоэлектрика, например ниобата лития (LiNbOs), полупроводник, например арсенид галлия (GaAs), и др. Волноводы бывают двухмерные (полосковые) и трехмерные (канальные), а для производства их широко используется разнообразная тон-копленочиая технология и техника точной обработки. Обычно волновод для одномодовой передачи имеет толщину около 1 мкм, а ширину приблизительно 4 мкм.

4.7.1. Распределители и собиратели световой мощности. Эти устройства соответствуют объемным приборам - расщепителям луча. Одним из самых фундаментальных устройств с такими функциями является одиомодовое Y-образиое волновод-ное сочленение (рис. 4.19, а). Ширина волновода для работы такого устройства со светом на длине волны 0,633 мкм от Не - Ne-лазера составляет 3.. .4 мкм, а вносимые потери устройства как распределителя мощности при угле разветвления 9=1° - примерно 1 дБ. При использовании же этого устройства в качестве собирателя мощности необходимо учитывать сильную взаимную зависимость вводимых световых волн по фазе. Конструкция такого волиоводного разветвителя проста, но даже незначительные неточности изготовления приводят к ощутимым изменениям в соотношении мощности на выходе его плеч.

Аналогичные функции распределения мощности выполняет и направленный соединитель (рис. 4.19,6). Он состоит из двух канальных волноводов шириной 3 мкм, расположенных на расстоянии g«=3 мкм друг от друга. Вследствие близости волноводов между ними возникает взаимосвязь. При этом мощность из одного волновода постепенно передается в другой волновод. Для полной передачи мощности требуется длина участка связи 1с= = 2. ..3 мм. Если длину участка связи уменьшить вдвое (с/2), то передается 50 % мощности, а устройство работает как делитель мощности по типу 3 дБ-ответвителя. Малейшие неточности в изготовлении приводят к изменению соотношения в делении мощности. Однако после изготовления можно регулировать это соотношение, вводя диэлектрическую нагрузку. Степень связи определяется длиной участка связи, поэтому наблюдается

Металлическое покрытие(А1)

Рис. 4.19. Волноводные распределители и собиратели световой мощности: а - тройник; б - направленный ответвитель

Стекло

Рис. 4.20. Волиоводиый поляризатор с металлическим покрытием

сильная зависимость связи от длины волны, что сужает реальную световую полосу до 50 ... 100 А. В разветвителе, описанном перед этим, распределенная оптическая связь не оказывает влияния на ширину полосы и последняя определяется лишь дисперсией длины волны волноводной моды, поэтому составляет около 1000 А.

4.7.2. Поляризаторы. Как показано на рис. 4.20, поляризатор можно создать Нанесением металлического покрытия на волновод. Например, если на одномодовый стеклянный волновод, изготовленный путем ионного замещения, нанести покрытие из алюминия на длине 5 мм, то потери передачи для моды ТЕо составят 2.. .3 дБ, а для моды ТМо - 20.. .30 дБ. Обычно световая волна, проходящая через одномодовое оптическое волокно, имеет круговую поляризацию, но если ее подать на поляризатор, то на выходе устройства поляризация станет линейной и только с горизонтальной составляющей поля. Вносимые потери такого поляризатора - несколько децибел, еще меньше у поляризатора, представленного на рис. 4.21. Здесь волновод получен диффузией титана в анизотропном оптическом кристалле

щ пленка ЩО,(п,)

Оптическая ось

Волновод

(Ti.LiNbOj) 7р

Рис. 4.21. Волиоводиый поляризатор Рис. 4.22. Расщепитель мод ТЕ и

иа основе анизотропного оптиче- ТМ иа основе двухмодового волио-

ского кристалла вода

Чувствительный, элемент

Рис. 4.23. Вращатель плоскости поля- Рис. 4.24. Интерферометр Маха- ризации (преобразователь мод ТЕ/ТМ) Цеидера

LiNbOs. На волновод напыляется пленка ЫЬгОз в качестве нагрузки. При соотношении коэффициентов преломления По (волна ТЕ)>Пс (покрытие) >Пе (волна ТМ) получается поляризатор с пропусканием волны ТЕ и некоторым просачиванием волны ТМ.

4.7.3. Расщепитель поляризованных световых лучей. В оптической системе датчика, работающего на модах ТЕ и ТМ с применением оптического волокна, сдхраняющего поляризацию, необходим элемент, который бы повышал эффективность использования света, т. е. расщепитель поляризованных лучей. Обычно расщепитель мод формируется на основе волновода на пластине с двойным лучепреломлением (например, волновода, изготовленного диффузией Ti, на кристалле LiNbOs), который имеет разные характеристики передачи моды ТЕ и моды ТМ. На рис. 4.22 приведен пример такого двухмодового расщепителя. Если в нем длину L участка связи волновода выбрать кратной нечетному числу интервалов взаимодействия для моды ТМ и четному числу интервалов взаимодействия для моды ТЕ, то он будет расщеплять эти моды. Однако на практике регулировка длины L затруднительна.

4.7.4. Вращатели плоскости поляризации. Функции полувол-новой пластины, поворачивающей плоскость поляризации световой волны на 90°, и четвертьволновой пластины, превращающей свет с линейной поляризацией в свет с круговой поляризацией, можно осуществить с помощью элемента преобразования мод ТЕДМ. На рис. 4.23 представлена конструкция такого элемента, выполненного на пластине из кристалла LiNbOs (дс-срез, распространение волны вдоль оси у). Для того чтобы согласовать по фазе моду ТЕ и моду ТМ на длине волны 0,6 мкм и обеспечить связь обеих мод, вращая главную ось распределения коэффициента преломления кристалла, на канальный волновод наносятся пленочные электроды гребенчатой формы с шагом зубцов приблизительно 7 мкм. При такой конструкции происходит почти 100 %-ное преобразование мод, но этому типу

преобразователя свойственна сильная зависимость от длины волны, поэтому рабочая ширина полосы составляет около 7А. Следовательно, далеко не просто изготовить подобный преобразователь, обеспечивающий полное согласование фаз на заданной длине волны света. Однако если ко входу или выходу преобразователя мод присоединить регулятор фазы, то получится элемент интегральной оптической схемы, позволяющий свободно регулировать положение плоскости поляризации.

4.7.5. Интерферометры. Обычно интерферометры объемного типа используются для обнаружения мельчайших изменений в оптическом сигнале. При этом незначительнейшая разница в оптическом пути для двух лучей фиксируется интерферометром в виде изменения выходного сигнала. Если такой интерферометр выполнить по интегральной технологии, то повысится его стабильность. На рис. 4.24 приведена структура интерферометра Маха - Цендера, в которой используется два Y-образных волноводных сочленения. Оба плеча делаются одинаковыми по длине. Входной оптический сигнал с помощью первого Y-образ-ного волновода разделяется на две части, и на выходе появляется максимальный оптический сигнал, если волны этих разделенных частей совпадают по фазе во втором У-образном волно-водном сочленении. Однако если в одном из плеч изменяется фаза проходящего в нем светового сигнала, то выходной сигнал уменьшается. Если сделать так, чтобы изменение фазы происходило только в одном плече при воздействии на него температуры, давления и других физических факторов, то можно получить высокочувствительный датчик.

Интерферометры, подобные вышеописанному, благодаря интегральной технологии, обладают повышенной (по сравнению с объемными приборами) вибро- и термоустойчивостью и очень дешевы.

4.7.6. Модуляторы интенсивности света. Модуляторы, управляемые электрически. Если в одном из плеч вышеописанного интерферометра Маха - Цендера сделать электроды и, прикладывая напряжение высокой частоты, изменять в соответствии

с ним фазу световой волны, то интенсивность выходного светового сигнала такого интерферометра будет модулироваться этой высокой частотой. На рис. 4.25 показана схема модулятора световой интен-

LlNbO,

Рис. 4.25. Модулятор иитенсивиости света иитерфереициоииого типа иа волноводных тройниках

сивности, работающего на основе электрооптического эффекта. В качестве подложки используется кристалл LiNbOs со срезом по оси Z. Если возбудить моду ТМ, то в нижнем и верхнем плече, благодаря составляющим напряженности электрического поля £2 и -£2, произойдет фазовый сдвиг соответственно Дф и -Аф, т. е. разница между фазами световых сигналов разных плеч будет 2Дф. Таким образом, этот модулятор работает по двухтактной схеме и имеет хорошую эффективность. Если обозначить напряжение, дающее сдвиг на половину волны, а и - приложенное напряжение, то разность фаз выразится следующей формулой:

2Дф = л;/;„. (4.21)

Например, при Х=0,633 мкм, длине электродов 5 мм и расстоянии между электродами 10 мкм получается напряжение полуволны и„ = 6 В. Если даже в данном модуляторе, выполненном на основе интерферометра с волноводными тройниками, вследствие погрешности изготовления входная мощность не разделится между плечами поровну, то все равно нетрудно получить при низком напряжении большое (10 дБ и более) затухание света. При ширине волноводов 3.. .4 мкм и угле разветвления Q~r потери рассеяния в точке разветвления не превышают 1 дБ. Модулятор, представленный на рис. 4.25, работает только с модой ТМ, однако, изменив форму электродов и разместив их так, чтобы возбуждалось электрическое поле вдоль оси у, можно обеспечить одновременно и модуляцию моды ТЕ, т. е. создать модулятор интенсивности света, работающий независимо от плоскости поляризации входной световой волны.

Модуляторы, управляемые ультразвуком. Модулятор интенсивности в интегральном исполнении, управляемый ультразвуком, аналогичен по функциям объемному прибору. В этом случае, как показано на рис. 4.26, с помощью встречно-штыревой системы электродов возбуждаются поверхностные акустические

Поверхностная акустическая Волна

Падающий

сбет Встречно-штыревые электроды

ДидзрагироВанный сВет (ш+ш.,)

Прошедший сВет

Волновод

L 0J

Генератор радиочастоты oi

Рис. 4.26. Модулятор интенсивности света и частотный сдвигатель иа поверхностных акустических волнах

5 Заказ № 872 1 29