Исследование влияния управляющего напряжения фазового модулятора на основе ниобата лития на величину паразитной амплитудной модуляции и распределение интенсивности оптического излучения на торцах канальных волноводов

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.

1. Lefèvre Н.С. The Fiber-Optic Gyroscope / 2nd ed. London: Artech House, 2014. 416 p.

2. Noguchi K. Lithium niobate modulators // Broadband Optical Modulators: Science, Technology, and Applications. CRC Press, 2012. P. 151–172.

3. Mercante A. Design and fabrication of broadband thin-film lithium niobate phase modulators: dissertation Ph.D. University of Delaware, Newark, 2018. 120 p.

4. 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/10.17586/2226-1494-202121-3-361-373

5. Погорелая 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.

6. 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.

7. 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.2011.6193966

8. Wang 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.

9. 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.2020.3023057

10. Sathian 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.51.003684

11. Shi 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.388681

12. Pogorelaya 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/10.1088/1742-6596/735/1/012040

13. Zhang 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.2021.3117656

14. Liu 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.2020.2968478

15. Karavaev 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/S1063785016050266

16. Петров В.М., Шамрай А.В. СВЧ интегрально-оптические модуляторы. Теория и практика: учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2021. 225 с.

17. 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/10.1063/1.89263

18. Аксарин 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.

19. 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/cjl20083512.1924