ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-3-357-365ntv-252Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGИсследование влияния управляющего напряжения фазового модулятора на основе ниобата лития на величину паразитной амплитудной модуляции и распределение интенсивности оптического излучения на торцах канальных волноводовInvestigation of the effect of the applied voltage to the control electrodes of a lithium niobate phase modulator on the intensity distribution at the ends of channel waveguides and on parasitic amplitude modulationhttps://orcid.org/0000-0001-6898-3400ШулеповаА. В.ShulepovaA. V.

Шулепова Алена Викторовна — инженер

Санкт-Петербург, 197101

Alena V. Shulepova — Engineer

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0003-2168-8046ШулеповВ. А.ShulepovV. A.

Шулепов Владимир Андреевич — кандидат технических наук, начальник группы

Санкт-Петербург, 197101

Vladimir A. Shulepov — PhD, Team Leader, ITMO University

Saint Petersburg, 197101

https://orcid.org/0000-0002-7151-9235СтригалевВ. Е.StrigalevV. E.

Стригалев Владимир Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, доцент, профессор, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Vladimir E. Strigalev — PhD (Phisics & Mathematics), Assistant Professor, Professor, Senior Researcher

Saint Petersburg, 197101

Университет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202416122024243357365Copyright © Шулепова А.В., Шулепов В.А., Стригалев В.Е., 20242024Шулепова А.В., Шулепов В.А., Стригалев В.Е.Shulepova A.V., Shulepov V.A., Strigalev V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/252

Введение. Известно, что при прохождении оптического излучения через фазовый модулятор многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС) наряду с модуляцией фазы световой волны происходит изменение мощности оптического излучения на выходе состыкованного волновода. Такая модуляция является паразитной, а ее величина зависит от управляющего напряжения на электродах модулятора. Наличие амплитудной модуляции приводит к возникновению ошибки в выходном сигнале высокочувствительных фазовых датчиков, в частности, в волоконно-оптическом гироскопе. В данной работе представлено экспериментальное исследование изменения пространственного распределения интенсивности (модового поля) на торце канальных волноводов МИОС под действием приложенного напряжения. Метод. Экспериментальная установка включала источник излучения в виде одночастотного лазера RIO ORION с центральной длиной волны излучения 1550 нм. В качестве оптического приемника применена инфракрасная камера SP503U-1550 с регистрацией излучения в диапазоне длин волн 1440–1605 нм, размерами пиксела 9,9 × 9,9 мкм и матрицы 640 × 480 пикселов. МИОС была выполнена по технологии диффузии титана в подложку кристалла ниобата лития (Ti:LiNbO3) Х-среза. На электроды фазового модулятора МИОС подавалось постоянное управляющее напряжение в диапазоне от –10 В до +10 В. Распределение интенсивности оптического излучения в волноводах МИОС и в одномодовом оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой ESC-4 анализировалось путем расчета интеграла перекрытия. Основные результаты. Экспериментально показано воздействие электрического поля на оптическое излучение в волноводах МИОС. Продемонстрировано, что при постоянном напряжении на управляющих электродах фазового модулятора наблюдается изменение распределения интенсивности излучения на выходе канальных волноводов. Наблюдаемые изменения коррелируют с паразитной амплитудной модуляцией, возникновение которой связано с распространением паразитного оптического излучения по волноводу. Это явление обусловлено выходом оксида лития с поверхностного слоя LiNbO3 в газовую фазу в ходе технологического процесса диффузии титана. Обсуждение. Проведенные исследования позволяют лучше понять механизмы возникновения паразитной амплитудной модуляции в фазовом модуляторе МИОС и разработать практические рекомендации по их устранению. Полученные результаты могут быть полезны специалистам, занимающимся исследованиями в области создания высокочувствительных фазовых датчиков на основе МИОС.

It is known that when optical radiation passes through the phase modulator of a multifunctional integrated-optical chip (MIOC), along with the modulation of the phase of the light wave, there is a change in the power of optical radiation at the output of the coupled waveguide. This modulation is parasitic, and its magnitude depends on the control voltage at the modulator electrodes. Amplitude modulation leads to an error in the output signal of highly sensitive phase sensors, in particular, in a fiber optic gyroscope. This paper presents an experimental study of the change in the spatial intensity distribution (mode field) at the end of channel waveguides of a multifunctional integrated-optical chip under the action of an applied voltage. The experimental setup was assembled with a radiation source in the form of a single- frequency laser RIO ORION with a central emission wavelength of 1550 nm. The optical receiver was an infrared camera SP503U-1550 with radiation registration in the wavelength range 1440–1605 nm, pixel size 9.9 × 9.9 μm and matrix size 640 × 480 pixels. The multifunctional integrated-optical chip was fabricated by titanium diffusion technology in Ti:LiNbO3 X-cut lithium niobate crystal substrate. A constant control voltage in the range from –10 V to +10 V was applied to the electrodes of the MIOC phase modulator. The distribution of optical radiation intensity in MIOC waveguides and in a single-mode optical fiber with an elliptical ESC-4 straining sheath was analyzed by calculating the overlap integral. The effect of electric field on optical radiation in MIOC waveguides is experimentally demonstrated. It is demonstrated that at constant voltage at the control electrodes of the phase modulator change in the radiation intensity distribution at the output of channel waveguides is observed. The observed changes correlate with parasitic amplitude modulation. The occurrence of parasitic amplitude modulation is due to the propagation of parasitic optical radiation along the waveguide. This phenomenon is caused by the escape of lithium oxide from the surface layer of lithium niobate into the gas phase during the technological process of titanium diffusion. The studies have allowed us to better understand the mechanisms of parasitic amplitude modulation in the phase modulator of MIOC and to develop practical recommendations for their elimination. These results can be useful for specialists working on research in the field of highly sensitive phase sensors using integrated optic circuits.

паразитная амплитудная модуляцияканальный волноводмодовое полефазовый модуляторМИОСниобат литияresidual amplitude modulationchannel waveguidemode fieldphase modulatorMIOClithium niobateРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).The research was carried out within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. FSER-2024-0006).ReferencesLefèvre Н.С. The Fiber-Optic Gyroscope / 2nd ed. London: Artech House, 2014. 416 p.Lefèvre Н.С. The Fiber-Optic Gyroscope. 2nd ed. London, Artech House, 2014, 416 p.Noguchi K. Lithium niobate modulators // Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications. CRC Press, 2012. P. 151–172.Noguchi K. Lithium niobate modulators. Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications, CRC Press, 2012, pp. 151–172.Mercante A. Design and fabrication of broadband thin-film lithium niobate phase modulators: dissertation Ph.D. University of Delaware, Newark, 2018. 120 p.Mercante A. Design and fabrication of broadband thin-film lithium niobate phase modulators. Dissertation Ph.D. University of Delaware, Newark, 2018, 120 p.Аксарин С.М., Смирнова А.В., Шулепов В.А., Парфенов П.С., Стригалев В.Е., Мешковский И.К. Исследование пироэлектрического спонтанного переключения доменов в межэлектродном зазоре фазового модулятора на основе титан-диффузионных волноводов в кристаллах ниобата лития // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 3. С. 361–373. https://doi.org/10.17586/2226-1494-202121-3-361-373Aksarin S.M., Smirnova A.V., Shulepov V.A., Parfenov P.S., Strigalev V.E., Meshkovskiy I.K. The study of spontaneous domain nucleation in the interelectrode gap of phase modulator based on titanium indiffused waveguides in lithium niobate crystals. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 3, pp. 361–373. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-3-361-373Погорелая Д.А. Исследование влияния фазовых и амплитудных искажений оптического сигнала в электрооптическом модуляторе на точностные характеристики волоконно-оптического гироскопа: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Университет ИТМО. СПб., 2019. 155 с.Pogorelaia D.A. Investigation of the influence of phase and amplitude distortions of the optical signal in an electro-optical modulator on the accuracy characteristics of a fiber-optic gyroscope. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg, ITMO University, 2019, 155 p. (in Russian)Волковский С.А. Создание и исследование алгоритмических методов повышения точностных и эксплуатационных характеристик волоконно-оптического гироскопа: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Университет ИТМО. СПб., 2016. 147 с.Volkovskii S.A. Creation and research of algorithmic methods for improving the accuracy and performance characteristics of a fiber- optic gyroscope. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg, ITMO University, 2016, 147 p. (in Russian)Sathian J., Jaatinen E. Polarization dependent photorefractive amplitude modulation production in MgO:LiNbO3 phase modulators // Proc. of the 2011 International Quantum Electronics Conference (IQEC) and Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) Pacific Rim incorporating the Australasian Conference on Optics, Lasers and Spectroscopy and the Australian Conference on Optical Fibre Technology. 2011. P. 352−354. https://doi.org/10.1109/ iqec-cleo.2011.6193966Sathian J., Jaatinen E. Polarization dependent photorefractive amplitude modulation production in MgO:LiNbO3 phase modulators. Proc. of the 2011 International Quantum Electronics Conference (IQEC) and Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) Pacific Rim incorporating the Australasian Conference on Optics, Lasers and Spectroscopy and the Australian Conference on Optical Fibre Technology, 2011, pp. 352−354. https://doi.org/10.1109/iqec-cleo.2011.6193966Wang D., Sheng F. Residuary intensity modulation of the phase modulator in IFOG and its measurement // Guangdian Gongcheng/ Opto-Electronic Engineering. 2007. V. 34. N 7. P. 26–29.Wang D., Sheng F. Residuary intensity modulation of the phase modulator in IFOG and its measurement. Guangdian Gongcheng/ Opto-Electronic Engineering, 2007, vol. 34, no. 7, pp. 26–29.Liu J., Zhang C., Zhang Z., Gao F., Song J., Xu X. Modulation asymmetry suppression of multifunction integrated optic circuit by sinking electrode // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 165529–165535. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3023057Liu J., Zhang C., Zhang Z., Gao F., Song J., Xu X. Modulation asymmetry suppression of multifunction integrated optic circuit by sinking electrode. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 165529–165535. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3023057Sathian J., Jaatinen E. Intensity dependent residual amplitude modulation in electro-optic phase modulators // Applied Optics. 2012. V. 51. N 16. P. 3684−3691. https://doi.org/10.1364/AO.51.003684Sathian J., Jaatinen E. Intensity dependent residual amplitude modulation in electro-optic phase modulators. Applied Optics, 2012, vol. 51, no. 16, pp. 3684−3691. https://doi.org/10.1364/AO.51.003684Shi Y., Zhang B., Liu D., Jiao H., Wang X., Liu N., Feng L. Linewidth-related residual intensity modulation in lithium niobate phase modulators // Applied Optics. 2020. V. 59. N 15. P. 4739−4743. https://doi.org/10.1364/AO.388681Shi Y., Zhang B., Liu D., Jiao H., Wang X., Liu N., Feng L. Linewidth-related residual intensity modulation in lithium niobate phase modulators. Applied Optics, 2020, vol. 59, no. 15, pp. 4739−4743. https://doi.org/10.1364/AO.388681Pogorelaya D.A., Smolovik M.A., Strigalev V.E., Aleynik A.S., Deyneka I.G. An investigation of the influence of residual amplitude modulation in phase electro-optic modulator on the signal of fiberoptic gyroscope // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 735. P. 012040. https://doi.org/10.1088/1742-6596/735/1/012040Pogorelaya D.A., Smolovik M.A., Strigalev V.E., Aleynik A.S., Deyneka I.G. An investigation of the influence of residual amplitude modulation in phase electro-optic modulator on the signal of fiber- optic gyroscope. Journal of Physics: Conference Series, 2016, vol. 735, pp. 012040. https://doi.org/10.1088/1742-6596/735/1/012040Zhang C., Liu J., Zhang Z., Zheng Y., Xu X., Song J. Analysis of the influence of residual intensity modulation in the multifunction integrated optic circuit on fiber-optic gyroscopes performance // IEEE Sensors Journal. 2021. V. 21. N 21. P. 23903−23910. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3117656Zhang C., Liu J., Zhang Z., Zheng Y., Xu X., Song J. Analysis of the influence of residual intensity modulation in the multifunction integrated optic circuit on fiber-optic gyroscopes performance. IEEE Sensors Journal, 2021, vol. 21, no. 21, pp. 23903−23910. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3117656Liu J., C. Zhang C., Zheng Y., Song J., Gao F., Yang D. Suppression of nonlinear residual intensity modulation in multifunction integrated optic circuit for fiber-optic gyroscopes // Journal of Lightwave Technology. 2020. V. 38. N 6. P. 1572−1579. https://doi.org/10.1109/ JLT.2020.2968478Liu J., C. Zhang C., Zheng Y., Song J., Gao F., Yang D. Suppression of nonlinear residual intensity modulation in multifunction integrated optic circuit for fiber-optic gyroscopes. Journal of Lightwave Technology, 2020, vol. 38, no. 6, pp. 1572−1579. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2968478Karavaev P.M., Il’ichev I.V., Agruzov P.M., Tronev A.V., Shamray A.V. Polarization separation in titanium-diffused waveguides on lithium niobate substrates // Technical Physics Letters. 2016. V. 42. N 5. P. 513–516. https://doi.org/10.1134/S1063785016050266Karavaev P.M., Il’ichev I.V., Agruzov P.M., Tronev A.V., Shamray A.V. Polarization separation in titanium-diffused waveguides on lithium niobate substrates. Technical Physics Letters, 2016, vol. 42, no. 5, pp. 513–516. https://doi.org/10.1134/S1063785016050266Петров В.М., Шамрай А.В. СВЧ интегрально-оптические модуляторы. Теория и практика: учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2021. 225 с.Petrov V.M., Shamrai A.V. Microwave integrated optical modulators. St. Petersburg, 2021, 225 p. (in Russian)Chen B.-U., Pastor A.C. Elimination of Li2O out-diffusion waveguide in LiNbO3 and LiTaO3 // Applied Physics Letters. 1977. V. 30. N 11. P. 570–571. https://doi.org/10.1063/1.89263Chen B.-U., Pastor A.C. Elimination of Li2O out-diffusion waveguide in LiNbO3 and LiTaO3. Applied Physics Letters, 1977, vol. 30, no. 11, pp. 570–571. https://doi.org/10.1063/1.89263Аксарин С.М., Лавров В.С., Герасимова М.М. Температурная зависимость поляризационных преобразований при соединении анизотропных волоконных световодов // Фундаментальные и прикладные научные исследования: сборник статей Международной научно-практической конференции [заочная конференция]. Т. 2. 2015. С. 30–34.Aksarin S.M., Lavrov V.S., Gerasimova M.M. Temperature dependence of polarization transformations when connecting anisotropic fiber light guides. Fundamental and applied scientific research: collection of articles of the International Scientific and Practical Conference [virtual conference]. V. 2, 2015, pp. 30–34. (in Russian)Zongfu H. Effects of Residual intensity modulation of Y-waveguide modulator on interferometric fiber optic gyroscope and elimination method // Chinese Journal of Lasers. 2008. V. 35. N 12. P. 1924–1929. (in Chinese). https://doi.org/10.3788/cjl20083512.1924Zongfu H. Effects of Residual intensity modulation of Y-waveguide modulator on interferometric fiber optic gyroscope and elimination method. Chinese Journal of Lasers, 2008, vol. 35, no. 12, pp. 1924– 1929. (in Chinese). https://doi.org/10.3788/cjl20083512.1924

The authors declare that there are no conflicts of interest present.