УДК 621.372.8
ВЕКШИН М.М., ГЛАДКИЙ В.П.,
ЯКОВЕНКО Н.А.
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ СЕГМЕНТИРОВАННЫХ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
Кубанский государственный университет, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская 149,
тел.: (8612) 699565, e-mail: gladkii@phys.kubsu.ru
Внедрение интегральной оптики в системы связи, сбора и обработки
информации влияет на интенсификацию исследований в этой области,
направленных на создание конкретных устройств. Канальные волноводные
структуры, сформированные в монокристаллических подложках ниобата лития,
являются базовыми для большинства интегрально-оптических устройств
управления
оптическими
сигналами.
Определенный
интерес
вызывают
сегментированные волноводные структуры (канальные оптические волноводы с
периодически повторяющейся модуляцией оптических и геометрических
параметров), на основе которых создаются микроволноводные устройства нового
типа, использующиеся для эффективной стыковки планарных оптических схем с
волоконными световодами, в качестве датчиков физических и химико-
биологических воздействий, расширителей размеров мод и т.д.[1].
Исходя из предложенных нами оригинальных схемо-конструктивных
разработок модуляционных и невзаимных элементов [2,3], на основе
сегментированных канальных оптических волноводов, представлялось важным
провести детальный анализ интегрально-оптических волноводов с системой
каскадируемых продольно-однородных сегментов с варьируемыми параметрами, с
целью сопоставления расчетных данных и результатов экспериментального
моделирования и оптимизации предложенных устройств.
Принцип работы амплитудного модулятора [2] (рис.1) основан на
рассогласовании волноводных мод периодически разорванного волноводного
канала (сегментированного оптического волновода), заключенного между

металлическими компланарными электродами двух гальванически развязанных
систем управляющих электродов. Отличительной особенностью амплитудного
модулятора является неизменность фазы оптического излучения на выходе
устройства в процессе модуляции его амплитуды, что достигается противополярным
включением двух независимых (эквивалентных по геометрическим размерам и
технологии изготовления) систем управляющих электродов к источнику
электрического модулирующего сигнала.
z
LiNbO3
Рис.1.
Амплитудный модулятор на сегментированных оптических волноводах
Экспериментально исследовались образцы волноводного амплитудного
модулятора, изготовленные на подложках монокристалла ниобата лития Х - среза.
Канальные волноводы создавались методом термодиффузии титана в атмосфере
воздуха при температуре 10000 C в течение 12-14 часов с применением метода
повышения контраста оптического сигнала описанного в работе [4]. На длине волны
=630 нм оптического излучения поддерживался одномодовый режим их
функционирования. Экспериментально достигнута глубина модуляции 93 %
амплитудного модулятора при управляющем напряжении 20В.
Анализ конструкции проводился с помощью ряда методик, различным
образом
интерпретирующих
полное
поле
излучения.
Моделирование
пространственно-нестационарного режима распространения направленных волн
проводилось с помощью конечно-разностного метода распространяющегося пучка.
В приближении планарной модели модулятора расчет коэффициента передачи
мощности на двойной ступенчатой волноводной неоднородности проводился путем
полного модового разложения поля излучения с применением аналитических
выражений для нормированных мод излучения и волноводных мод. Был реализован

и упрощенный вариант анализа с использованием дифракционного интеграла
Кирхгофа.
По результатам расчетов были сделаны следующие выводы. Основной вклад в
процесс модуляции вносит рассогласование эффективных размеров мод, причем при
приближении к условию отсечки коэффициент затухания резко возрастает. Одним
из источников модуляции является каскадируемая периодическая имитация
модулятора типа отсечки. Коэффициент модуляции составляет 80 % при изменении
показателя преломления волноведущего слоя ~ 0.003 для типовых параметров
одномодовых титандиффузионных волноводов в ниобате лития для 40 волноводных
сегментов и длине зазора между ними 20 мкм. Вторым фактором, влияющим на
модуляционные свойства, являются специфические дифракционные свойства
рассматриваемого устройства. Сегментированная форма канала приводит к
увеличению модуляции, по сравнению с типовым модулятором отсечки
(волноводом с одним индуцированным разрывом), на 3-7 дБ, в зависимости от
расстояния между сегментами.
Увеличение показателя преломления волноведущего слоя приводит к
незначительному уменьшению эффективных размеров пятна моды при
значительных изменениях константы распространения, что позволяет в
рассматриваемой конструкции точно подстраивать фазу на выходе всего устройства.
Экспериментально измеренные модуляционные свойства и уровень вносимых
потерь были даже несколько лучше, чем расчетные данные, что вызвано, во первых,
объемным рассеянием световой волны в кристалле, которое может быть учтено
лишь полуэмпирическим образом и, во вторых, фокусирующими свойствами торцов
сегментов, имеющих линзо-подобную форму.
Таким образом, был проведен комплекс исследований, направленных на
создание интегрально-оптических сегментированных модуляционных устройств с
прогнозируемыми характеристиками.
1. Michael M. Sphler, B.J. Offrein "A very short planar silica spot-size converter using
a non-periodic segmented waveguide," IEEE Journal of Lightwave Technology, 1998,
v.16, N9, P. 1680-1685

2. Патент 2075104 МКИ6 G 02 F 1/03 РФ Оптический волноводный
амплитудный модулятор. В.П. Гладкий, Н.А. Яковенко, заявлено 31.03.93, заявка
93016639, опубл. 10.03.97, Бюл. 7.
3. Патент 2121157 МКИ6 G 02 B 6/12 РФ Интегрально-оптический невзаимный
элемент (варианты). В.П. Гладкий, А.Э. Розенсон, Н.А. Яковенко, заявлено
14.11.96, заявка 96121971, опубл. 27.10.98, Бюл. 3.
4. Патент 2089928 МКИ6 G 02 B 6/13 РФ Способ создания оптических
канальных волноводов в ниобате лития.// В.П. Гладкий, А.Э. Розенсон, Н.А.
Яковенко, заявлено 28.09.94, заявка 94037128, опубл. 10.09.97, Бюл. 25.