Скоростная модуляция поперечно-модового состава лазерных пучков с помощью дифракционных оптических элементов на основе LiNbO3

Развитие оптических телекоммуникационных технологий стимулирует исследование подходов к увеличению информационной емкости каналов оптической связи. Известен подход, основанный на использовании различных длин волн ( Wavelength Division Multiplexing ) для реализации отдельных каналов связи [1]. Было также предложено [2, 3] использовать независимое распространение поперечных мод оптического волновода для увеличения количества каналов волоконно-оптической системы связи ( Mode Division Multiplexing ). Для формирования лазерных пучков с заданным поперечно-модовым составом, а также для детектирования заданной моды в оcвещающем пучке было предложено использовать дифракционные оптические элементы (ДОЭ) [3, 4] и рассмотрены методы расчета и технологии изготовления таких элементов [4]. Было приведено экспериментальное исследование модели двухканальной системы связи в свободном пространстве, основанной на селекции мод Гаусса–Эрмита (1,0) и Гаусса–Эрмита (0,1) [5]. В работе [6] рассмотрено формирование поляризационнонеоднородного пучка на основе комбинации одномодовых пучков Гаусса–Эрмита (1,0) и Гаусса–Эрмита (0,1), предварительно сформированных пространственным модулятором света с сегментированной апертурой.

Следует отметить, что амплитудно-фазовое распределение в сечении моды Гаусса–Эрмита (1,0) хорошо аппроксимирует амплитудно-фазовое распределение в сечении линейно-поляризованной моды LP11

CO-786.

ступенчатого цилиндрического волокна [7, 8]. Это обстоятельство позволило успешно использовать элементы, предназначенные для формирования моды Гаусса–Эрмита (1,0), для эффективного возбуждения моды LP11 кварцевого ступенчатого волокна [9]. Было показано, что для формирования мод низкого порядка из освещающего Гауссова пучка может быть использован бинарный (двухуровневый) фазовый ДОЭ с фазовой функцией пропускания, соответствующей фазовому портрету формируемой моды [7, 8]. При этом такой элемент позволяет формировать заданную моду из освещающего Гауссова пучка с энергетической эффективностью более 80% [8]. Однако нерешенной оставалась проблема модуляции полученных одномодовых пучков сигналами независимых каналов передачи информации. Время быстродействия современных жидкокристаллических пространственных модуляторов света составляет от сотен [10] до единиц миллисекунд [11], что недостаточно для применения в реальных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), где скорости передачи информации лежат в пределах от сотен Гбит /c до Тбит /c. Рассмотренные в [12, 13] микрозеркальные модуляторы обладают быстродействием порядка сотен кГц.

Предложенный в [14] вариант решения проблемы требует усложнения оптической схемы и включения в нее дополнительного лазерного диода.

В данной работе предложено совместить в бинарном (т.е. фаза может принимать одно из двух значений – 0 или π) фазовом элементе функции формирования моды Гаусса–Эрмита (1,0) (или (0,1)) из освещающего Гауссова пучка и скоростной модуляции.

Для реализации элемента, способного формировать фазовый сдвиг, равный п, между двумя половинами сечения освещающего пучка при подаче управляющего сигнала (рис. 1) предложено использовать сегнетоэлектрик со статической доменной структурой заданной геометрии [15]. Стоит отметить, что быстродействие таких элементов может достигать десятков ГГц и зачастую ограничено источником управляющего напряжения [16].

В качестве освещающего пучка рассматривался Гауссов пучок с волновым фронтом, близким к плоскому. Если скорость модуляции такого элемента будет близка к скорости передачи информации в одном канале ВОЛС, то его можно использовать в многоканальной системе передачи информации, основанной на селекции мод Гаусса–Эрмита, выбрав в качестве волновода градиентное оптическое волокно с параболическим профилем [4], или линейно-поляризованных мод (LP-мод) в случае выбора слабонаправляющих ступенчатых маломодовых волокон, как в [9].

■

Рис. 1. Фазовая функция элемента

(белый цвет соответствует фазе п чёрный цвет - 0)

Экспериментальное исследование созданного элемента

Известны работы по использованию анизотропных материалов для изготовления ДОЭ [17–20].

В данной работе для реализации ДОЭ, совмещающего функции формирования моды Гаусса–Эрмита (1,0) из Гауссового пучка и модуляции модового состава, были использованы пластины одноосного сегнетоэлектрика ниобата лития конгруэнтного состава (CLN) со статической доменной структурой, соответствующей требуемой фазовой функции. В нецентросимметричных материалах показатель преломления изменяется во внешнем электрическом поле за счет эффекта Поккельса (линейного электрооптического эффекта) [16]. Знак изменения показателя преломления определяется направлением электрического поля относительно полярной оси кристалла [16]. В сегнетоэлектриках направление полярных осей (спонтанной поляризации) может быть инвертировано приложением внешнего поля [16]. При переключении поляризации монодоменный образец разбивается на домены, представляющие собой области с однородным направлением спонтанной поляризации. Активно развиваемые в настоящее время методы доменной инженерии позволяют создавать в монокристалличе- ских сегнетоэлектриках статические доменные структуры заданной геометрии [21]. В одноосных сегнетоэлектриках направление полярных осей в соседних доменах инвертируется друг относительно друга. Поэтому в однородном электрическом поле за счет эффекта Поккельса показатель преломления в доменах с одним направлением спонтанной поляризации увеличивается на величину Δn, а в доменах с противоположным направлением спонтанной поляризации – уменьшается на ту же величину.

Принцип работы предлагаемого ДОЭ на основе сегнетоэлектрического монокристалла заключается в следующем. В пластине сегнетоэлектрика, вырезанной перпендикулярно полярной оси, создается доменная структура, соответствующая требуемой фазовой функции элемента. Созданная доменная структура закрепляется путем температурного отжига и остаётся неизменной в процессе работы элемента. Управляющее напряжение подается через однородные прозрачные электроды. В электрическом поле между соседними доменами возникает разница показателя преломления, равная удвоенному значению Δ n , что позволяет управлять величиной фазового сдвига.

Доменная структура в пластине CLN толщиной 0,5 мм создавалась методом, широко применяемым для изготовления периодически поляризованных кристаллов [21]. На Z+ полярной поверхности методом фотолитографии создавалась маска из задубленного фоторезиста (AZ1518, MicroChemical). Затем к полярным поверхностям через жидкие электроды прикладывался одиночный прямоугольный импульс высокого напряжения, длительность и амплитуда которого были подобраны таким образом, чтобы переключение поляризации происходило только в областях, не покрытых фоторезистом. После удаления фоторезиста на полярные поверхности методом магнетронного распыления наносились сплошные прозрачные электроды из оксида индия-олова (ITO) толщиной 250 нм. Для уменьшения остаточных встроенных полей производился отжиг образцов с короткозамкнутыми электродами при температуре 150°С в течение 5 часов. Полученные элементы монтировались в оправу с высоковольтными выводами для подачи управляющего напряжения (рис. 2).

Оптическая схема эксперимента приведена на рис. 3 а. В качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер ЛГН-1 (ОАО НИИ ГРП «Плазма», Рязань) с длиной волны X =0,6328 мкм. Распределение интенсивности в дальней зоне регистрировалось с помощью ПЗС - матрицы Ophir FX-50 (Ophir Photonics, Израиль), расположенной в фокусе линзы ( F =30 см). На оптическом пути лазера располагался тестируемый элемент, на который с помощью платы ввода-вывода NI 6251 и высоковольтного усилителя Trek 10/ 10B HS (Trek Co, США) подавалось управляющее напряжение. Рабочая апертура элемента составляла 3 мм, размер луча лазера на элементе 4а = 0,48 мм.

Рис. 2. Дифракционный оптический элемент в сборе с держателем и высоковольтными выводами

Элемент

а)

ЛГН-1

—н —

5 см

Рис. 3. Схема оптического эксперимента (а); профиль распределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне в зависимости от управляющего напряжения (б); распределение интенсивности при управляющем напряжении 3400 В соответствует моде Гаусса–Эрмита (0,1) (негативное изображение) (в)

Зависимость профиля распределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне от величины управляющего напряжения представлена на рис. 3 б. Показано, что при напряжении 3400 В распределение интенсивности становится симметричным и соответствует моде Гаусса–Эрмита (0,1) (рис. 3 в ). Незначительное отклонение величины полуволнового напряжения от опубликованного [22] обусловлено наличием остаточного деполяризующего поля в переключенной области образца [23].

Для оценки модового состава сформированного пучка использовался подход, подобный подходу, описанному в [5]. На оптическом пути между элементом и линзой размещался второй элемент, аналогичный выше рассмотренному (с фазовой функцией, приведенной на рис. 1), но повернутый на 90 градусов. Приложение полуволнового напряжения к элементам приводило к формированию в выходной плоскости в дальней зоне распределения интенсивности, представленного на рис. 4.

ПЗС

Интенсивность, отн.ед.

б)                      Пиксели

Рис. 4. Распределение интенсивности в дальней зоне в случае добавления второго элемента, повёрнутого на 90° (негативное изображение) (а); профиль распределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне в случае добавления второго элемента, повёрнутого на 90° (б)

Экспериментальные результаты, приведенные на рис. 4 а , б , находятся в качественном соответствии с численными и экспериментальными результатами, приведенными в [5], и свидетельствуют о формировании созданным элементом пучка с высоким содержанием моды Гаусса–Эрмита (1,0) при приложении управляющего напряжения.

Заключение

В работе создан дифракционный оптический элемент на основе пластины сегнетоэлектрика ниобата лития со статической доменной структурой заданной геометрии, предназначенный для скоростной модуляции поперечно-модового состава пучка, формируемого из освещающего Гауссова пучка лазера. Показано, что приложение к элементу напряжения 3400 В приводит к преобразованию проходящего Гауссова пучка в пучок с распределением интенсивности, соответствующим моде Гаусса–Эрмита (0,1). Незначительное отклонение величины полуволнового напряжения от опубликованного ранее отнесено за счет наличия остаточного деполяризующего поля в переключенной области образца.

В дальнейшем авторами предполагается создание модулируемых элементов, предназначенных для формирования пучков с более сложным модовым со- ставом, в том числе пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ).

Рассмотренный подход может быть использован при построении систем оптической связи в свободном пространстве с поперечно-модовой мультиплексацией [24].

Использовано оборудование уральского ЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№18-29-20077 мк).