CC BY
58
СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЛАНАРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ
С.А. Миронов
Разработан лабораторный стенд для экспериментального исследования характеристик волноводного распространения оптического излучения в планарных интегрально-оптических волноводах. Для измерения спектра и затухания оптических мод используется метод «спектроскопии да-линий». Программное обеспечение стенда позволяет определять основные параметры однородных и градиентных волноводов. Стенд предназначен для использования в учебно-методической и научной работе.
В настоящее время проводится интенсивная разработка интегрально-оптических приборов с целью применения их в аппаратуре высокоскоростных волоконно-оптических линий связи, датчиках и системах оптической обработки информации [1, 2]. Использование тонкопленочных диэлектрических волноводов открывает путь к созданию миниатюрных активных и пассивных устройств (оптических модуляторов, переключателей, дефлекторов, ответвителей, сумматоров и др.) с параметрами, превосходящими их аналоги, построенные на элементной базе традиционной объемной оптики.
Основой построения любых приборов интегральной оптики является планарный интегрально-оптический волновод. Параметры приборов во многом определяются характеристиками распространения оптических волноводных мод. Поэтому разработка и совершенствование методов исследования оптических волноводов является актуальной задачей.
В работе рассмотрен разработанный в СПб ГУ ИТМО лабораторный стенд, который предназначен для измерения основных характеристик планарных оптических волноводов, таких как спектр и затухание оптических мод. Программное обеспечение стенда позволяет рассчитывать спектр распространяющихся мод, исходя из известных параметров волновода, а также решать обратную задачу - на основе экспериментально полученного спектра мод рассчитывать основные параметры волновода.
Схема стенда, работающего на основе принципа «спектроскопии да-линий» [3], приведена на рис.1. Используется призменный метод ввода излучения в волновод, который обладает модовой селективностью и позволяет проводить измерения для каждой волноводной моды в отдельности.
картина светлых т-линий на экране
Рис.1. Оптическая схема стенда, 1 - лазер, 2 - поляризатор, 3 - щель, 4 - линза, 5 - столик гониометра, 6 - подставка для крепления ячейки, 7 - призма для ввода света, 8 - призма для вывода света, 9 - волновод, 10 - экран
Измерительная ячейка с исследуемым волноводом и призмами ввода и вывода излучения размещается на поворотном столике гониометра ГС-5 так, чтобы ее можно было вращать в плоскости xz (см. рис. 1). Изменяя, таким образом, угол падения луча лазера на входную призму, можно добиться выполнения условия синхронизма для какой-либо да-моды волновода и реализовать ее возбуждение. После распространения по волноводу оптическое излучение выходит из него через выходную призму и далее попадает на фотодетектор или на экран, где возникает картина «да-линий», по которой можно идентифицировать порядок возбужденной да-моды. С помощью отсчетного устройства гониометра измеряется угол падения луча лазера на входную призму, при котором возбуждается да-линия, и затем путем расчета определяется волноводный показатель преломления моды nm = вт/к, где вда - постоянная распространения m-моды, а k = 2п/Х -волновое число.
При использовании гониометра ГС-5 погрешность измерения углов составляет 10'', что дает максимальную погрешность при определении постоянных распространения оптических мод Pra/k не более ~ 10-4.
Метод призменного ввода дает возможность измерения затухания для каждой моды в отдельности. Конструкция измерительной ячейки позволяет перемещать выходную призму относительно входной в направлении z, чтобы изменять эффективную длину образца. При этом в каждой точке z измеряется интенсивность выходного излучения. Метод измерения затухания с помощью двигающейся призмы является удобным, так как он позволяет выполнять прямые измерения коэффициента затухания оптических мод. Погрешность измерения затухания указанным методом составляет ~ 10-2.
Для обработки и проверки экспериментальных результатов в работе предложен алгоритм и разработана программа в среде математического пакета MathCad 13.0, которая позволяет рассчитывать спектры мод, распространяющихся в однородных и градиентных волноводах с различными профилями показателя преломления (ППП). Спектры мод определяются посредством численного решения дисперсионного уравнения по методу ВКБ [4] на основе известных параметров волновода (прямая задача).
Рассчитанные спектры оптических мод представлены на рис. 2. Начальные условия: длина волны излучения X = 0,6328 мкм, толщина волновода d = 6 мкм, а также показатели преломления волновода n2 = n(0) = 1,5900 , покрытия щ = 1 и подложки n3 = 1,5125 выбраны одинаковыми для всех случаев для удобства сравнения и соответствуют типичным параметрам волноводов, сформированных в стекле.
Было показано (см. рис. 2), что характер модового спектра (расстояние по спектру между модами Ар/k ) существенно различен для волноводов с различным ППП. Установлено, что для волновода с параболическим профилем постоянные распространения расположены эквидистантно, т.е. Ар/k = const. В то же время для однородного волновода значения Ар/k увеличиваются с номером моды да, а для волноводов с экспоненциальным, гауссовым и линейным профилями значения Ар/k уменьшаются с возрастанием номера моды. Установленные особенности модового спектра позволяют по результатам эксперимента качественно оценить вид ППП волновода, что необходимо для дальнейшего количественного восстановления ППП (обратная задача [5]).
Для решения обратной задачи разработана программа, которая позволяет восстанавливать ППП по известному модовому спектру. Результаты расчетов по восстановлению ППП опытных образцов волноводов, полученных методом протонного обмена в кристалле ниобата лития [6], представлены в табл. 1 и показаны на рис. 3. Необходимые для расчетов экспериментальные спектры мод были измерены на разработанном стенде. Установлено, что разработанная программа позволяет определять такие пара-
метры волноводов, как показатель преломления на поверхности и эффективную тол-
щину, с точностью ~ 10-3 .
Рис. 2. Спектры мод, рассчитанные по программе: а) для однородного волновода, б) для градиентного волновода с экспоненциальным профилем, в) для градиентного волновода с Гауссовым профилем, г) для градиентного волновода с параболическим профилем, д) для градиентного волновода с линейным профилем
Образец № да в/к Форма профиля п0 ё, мкм
2.0 0 2.208 Гауссов 2.220 1.955
1 2.197
3.0 0 2.199 Гауссов 2.203 3.757
1 2.195
2 2.193
3.1 0 2.200 Гауссов 2.205 3.670
1 2.196
2 2.193
3.2 0 2.200 Гауссов 2.204 4.183
1 2.196
2 2.194
Таблица 1. Результаты восстановления профиля показателя преломления для Н-обменных волноводов в ПЫЬ03, п = 2.192 .
Рис. 3. Графики распределения показателя преломления (n) по глубине волновода (z) для волноводов в LiNbO3. Расчетные значения (•) и аппроксимирующие их
кривые (-): а) для образца 2.0, б) для образца 3.0, в) для образца 3.1,
г) для образца 3.2
Основные результаты работы сводятся к следующему.
• Разработан лабораторный стенд, позволяющий измерять основные параметры пла-нарных интегрально-оптических волноводов.
• Разработан пакет программ, позволяющих рассчитывать спектр оптических мод, а также определять параметры однородных и градиентных волноводов, изготовленных из различных материалов.
• Полученные результаты были использованы на кафедре «Физика и техника оптической связи» при создании новой лабораторной работы по курсу «Оптические направляющие среды и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи». Кроме того, результаты работы были использованы при изготовлении волноводов с заданными свойствами в научно-исследовательской работе по созданию управляющей интегрально-оптической схемы для волоконно-оптического гироскопа.
Литература
1. Тамир Т., Волноводная оптоэлектроника, М., Мир, 1991.
2. Фриман Р., Волоконно-оптические системы связи, М., Техносфера, 2004.
3. Tien P., Light waves in thin films and integrated optics // Applied Optics. 1971. Vol. 10, № 11. P. 2395-2413.
4. Schiff L., Quantum Mechanics, New York, McGraw-Hill, 1955. P. 184-193.
5. White J., Heidrich P., Optical waveguide refractive index profiles determined from measurement of mode indices: a simple analysis // Applied Optics. 1976. Vol. 15. № 1, P. 151-155.
6. Korkishko Y., Fedorov V., Feoktistova O., LiNbO3 optical waveguide fabrication by
high-temperature proton exchange // Journal of lightwave technology, 2000. Vol. 18. № 4. P. 562-567.
