PHYSICAL FOUNDATIONS OF BUILDING OF OPTICAL ANTENNA WITH LITHIUM NIOBATE
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences
(Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Leading Researcher of the Laboratory of Network Systems Control)
Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
3.
V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences
(Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Leading Researcher of the Laboratory of Network Systems Control)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 44
to 52
Status:
Published
Received:
05.07.2019
Accepted:
25.07.2019
Published:
25.07.2019
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 535.3
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 535.3
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
optical antenna, antenna pattern, lens system, phase shifter, lithium niobate
Abstract (English):
The article highlights a promising direction for high-speed signal transmission in wireless optical communication systems, namely, the use of optical antennas. Unlike fiber-optic systems which are sufficiently advanced today, today only one patent and one work are performed to describe the optical antenna array, which describes the optical antenna array for transmitting the optical signal in telecommunication networks. An important task in creating the antenna is selecting intelligent material to control the radiation pattern. The main physical foundations of optical antenna array have been described. The antenna array is based on the mirror system and lens system. To provide the necessary phase shift, two kinds of structures are proposed: of lithium niobate and of ferrite-garnet. The main analytical expressions describing system behavior are found for the first time.
The article highlights a promising direction for high-speed signal transmission in wireless optical communication systems, namely, the use of optical antennas. Unlike fiber-optic systems which are sufficiently advanced today, today only one patent and one work are performed to describe the optical antenna array, which describes the optical antenna array for transmitting the optical signal in telecommunication networks. An important task in creating the antenna is selecting intelligent material to control the radiation pattern. The main physical foundations of optical antenna array have been described. The antenna array is based on the mirror system and lens system. To provide the necessary phase shift, two kinds of structures are proposed: of lithium niobate and of ferrite-garnet. The main analytical expressions describing system behavior are found for the first time.
Keywords:
optical antenna, antenna pattern, lens system, phase shifter, lithium niobate
optical antenna, antenna pattern, lens system, phase shifter, lithium niobate
В настоящее время оптические системы являются перспективными видами передачи информации в телекоммуникационных структурах благодаря высокой скорости передачи информации [1-10]. Существует два основных направления развития оптических систем: беспроводное [1-4] и волоконно-оптическое [5]. Волоконно-оптические системы достаточно развиты на сегодняшний день, чего нельзя сказать о беспроводных оптических системах. В частности, был представлен только один патент на оптическую антенную решетку [4], несмотря на то, что данное устройство очень важно в линиях связи. Очевидно, что оптические антенны должны использоваться в беспроводных системах оптической связи для высокоскоростной передачи сигнала. В современной технологии оптические антенны используются только для увеличения поперечных сечений поглощения и квантовых выходов в фотовольтаике, эффективного высвобождения энергии из наноразмерных светоизлучающих устройств, повышения эффективности фотохимических или фотофизических детекторов и увеличения пространственного разрешения в оптической микроскопии [6, 9]. Также в цифровые микросхемы встроена оптическая антенно-свето-диодная структура, позволяющая им быстрее передавать информацию и увеличивать вычислительную мощность [6, 10]. Такие антенны называются оптическими наноантеннами. Подробное описание наноантенн можно найти в [6]. В этой работе также приводится классификация оптических наноантенн. Тем не менее, существует только одна работа, описывающая оптическую антенную решетку для передачи оптического сигнала в телекоммуникационных сетях [4]. Эта антенна была построена как открытый выход оптического кабеля. Каждый выход кабеля рассматривался как элемент антенной решетки. Основным недостатком этой антенны является ее неуправляемость. Кроме того, в [4] не были представлены результаты расчетов мощности системы. Важной проблемой в области исследования оптических антенн является применение так называемых умных материалов, которые позволяют управлять диаграммой направленности антенны. Такие материалы описаны, например, в [11, 12]. В нашей работе представлена управляемая оптическая антенная решетка, которую можно спроектировать с помощью известных оптических материалов без наноструктуры. Очень важным направлением в создании антенны является выбор интеллектуального материала для управления диаграммой направленности, представлены варианты решения данной проблемы. Принцип работы оптической антенны Структура разработанной оптической антенной решетки представлена на рис. 1. Рис. 1. Структура оптической антенной решетки: 1-5 - полупрозрачные зеркала; 6 - полностью отражающее зеркало; 7-12 - фазовращатели; 13 - собирающая линза; 14 - рассеивающая линза; 15 - лазер Антенная решетка состоит из полупрозрачных зеркал 1-5, абсолютно отражающего зеркала 6, оптических фазовращателей 7-12, собирающей линзы 13, рассеивающей линзы 14, лазера 15. Луч света от лазера 15 поступает на делитель мощности (система зеркал 1-6). Эта система делит энергию на 6 равных частей. Отраженные от зеркал лучи поступают на фазовращатели 7-12, которые компенсируют фазовый сдвиг за счет разности хода лучей и обеспечивают дополнительный фазовый сдвиг для управления диаграммой направленности оптической антенной решетки. Затем лучи поступают на собирающую линзу 13, которая служит для фокусировки лучей на выходе антенны. Действительно, для эффективного формирования пучка расстояние между пучками должно быть соизмеримо с длиной волны, но для эффективной обработки сигнала предыдущие устройства имеют гораздо больший размер. Рассеивающая линза 14 служит для формирования параллельного пучка лучей на выходе антенны. Кроме того, внешняя поверхность рассеивающей линзы может представлять собой двумерную дифракционную решетку из прозрачных отверстий, что позволяет сформировать нужную диаграмму направленности. В рассматриваемой антенной решетке лазерный луч можно разделить на четное и нечетное количество лучей. Ранее в теории фазированных антенных решеток было показано, что использование более 7 лучей нецелесообразно, т. к. дальнейшее увеличение излучателей практически не приводит к сужению диаграммы направленности. В последующих разделах будут подробно представлены компоненты антенны. Система зеркал Излучение лазерного источника 15 падает на полупрозрачное зеркало 1 с коэффициентом отражения мощности R1 = 1/N, где N - номер выхода антенной решетки (в данном случае R1 = 1/6 = 0,167). Часть мощности, равная T2 = (N - 1)/N, поступает на полупрозрачное зеркало 2, а часть, равная R1 = 1/N (в данном случае 1/6 = 0,167), поступает на фазовращатель 7. Коэффициент отражения зеркала 2 равен R2 = 1/(N - 1) (в данном случае 1/5 = 0,2). Луч с этой долей мощности (T1R2 = 1/N) поступает на фазовращатель 8. То есть такая же мощность сигналов поступает на фазовращатели 6 и 7. Часть мощности (N - 2)/N (в данном случае 4/6 = 2/3 = 0,6(6)) от общей мощности переходит на зеркало 3 и т. д. Зеркало 3 имеет коэффициент отражения R3 = 1/(N - 2) (в данном случае R3 = 1/4 = 0,25). Аналогично R4 = 1/(N - 3), R5 = 1/(N - 4), R6 = 1/(N - 5) и т. д. Коэффициент отражения последнего зеркала равен единице (в данном случае R6 = 1/(N - 5) = 1/(6 - 5) = 1). Как видно из описания, в общем случае коэффициент отражения i-го зеркала равен коэффициент прохождения равен Таким образом, мощность излучения в зеркальной системе делится поровну, затем пучки подаются на соответствующие фазовращатели 7-12. Зеркала должны иметь малые потери и малую частотную дисперсию в рабочей области длин волн 1 550 ± 100 нм. Такое свойство можно получить, используя неоднородные диэлектрические структуры. В практическом применении для изготовления таких зеркал можно использовать аморфное стекло. Фазовращатель Фазовращатели должны компенсировать фазовые сдвиги из-за разницы хода лучей по разным N траекториям и ввести дополнительный фазовый сдвиг для управления направлением основного лепестка диаграммы направленности антенны. Разница прохождения лучей, обусловленная распространением через каждое полупрозрачное зеркало, равна , где ; , где - угловая частота; d - толщина предыдущего зеркала; α - угол падения луча на зеркало; ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; μ0 - магнитная проницаемость вакуума; ε - относительная диэлектрическая проницаемость зеркала; μ - относительная магнитная проницаемость зеркала. Таким образом, для i-го зеркала имеем Таким образом, фазовый сдвиг для i-го зеркала Разность хода лучей из-за сходимости лучей между собирающей и рассеивающей линзами с четным числом лучей , где b1 - расстояние между лучами на выходе сходящейся линзы; b2 - расстояние между лучами на входе расходящейся линзы; bn - расстояние между линзами с учетом кривизны их поверхностей и смещения луча. Здесь номер луча отсчитывается от оптической оси в обоих направлениях. Тогда фазовый сдвиг для n-го луча равен Разность траекторий, обусловленная сходимостью лучей между собирающей и рассеивающей линзами и соответствующим фазовым сдвигом с нечетным числом лучей, равна ; . Дополнительный фазовый сдвиг существует также в линзах и зависит от толщины линз в точке прохождения луча и материальных параметров линзы: ; , где ; . Распространение волн в собирающих и рассеивающих линзах является одинаковым (yn собирающая = yn рассеивающая), а толщина линз в точках прохождения n-го луча определяется кривизной поверхности линзы. Что касается дополнительного фазового сдвига для управления диаграммой направленности антенны, то для этого необходимо использовать интеллектуальные материалы. Параметры таких материалов зависят от величины внешнего управляющего сигнала. Сегодня в оптике известно лишь несколько таких материалов. Например, это ниобат лития, показатель преломления которого зависит от величины внешнего приложенного напряжения, и феррит-гранат, параметры которого определяются величиной внешнего магнитного поля. Феррит-гранат является управляемым (магнетооптическим) материалом в оптическом диапазоне. Зависимость оптической мощности от величины магнитного поля (рис. 2) была изучена, например, в [11]. Рис. 2. Зависимость иттрий-железного граната от магнитного поля [11] Зависимость показателей преломления ниобата лития при длине волны 1 581,9 нм представлена на рис. 3. Рис. 3. Зависимости LiNbO3 от электрического поля [12] Из рис. 3 видно, что зависимость показателя преломления от величины внешнего магнитного поля очень слабая. Рассмотрим детальнее физические основы управления фазовым сдвигом ниобата лития. Управление осуществляется с использованием электрооптических эффектов, т. е. эффектов изменения коэффициентов преломления посредством изменения электрического поля. В основе электрического управления лежат эффекты Поккельса и Керра. Оба они описывают зависимость коэффициента преломления от внешнего электрического поля. В данном устройстве используется только эффект Поккельса, при котором зависимость коэффициента преломления от напряженности поля наиболее часто описывается разложением в ряд Тейлора , (1) где для первых двух слагаемых имеем . Далее введем два новых коэффициента: . Тогда вместо (1) запишем . Если пренебречь третьим слагаемым в сравнении со вторым, получим . Это соотношение описывает так называемый линейный эффект Поккельса. Здесь r называется коэффициентом Поккельса, или линейным электрооптическим коэффициентом. Типовые значения линейного электрооптического коэффициента для реальных материалов находятся в пределах 10-12-10-10 м/В, при этом изменение коэффициента преломления также будет очень маленьким. Так, для E = 106 В/м получаем 10-6-10-4. Самыми распространенными материалами, использующими эффект Поккельса, являются NH4H2PO4, KH2PO4, LiNbO3, LiTaO3 и CdTe. Теперь, учитывая известное соотношение E = U/d, где U - разность потенциалов, d - расстояние между электродами, получим для эффекта Поккельса: . В анизотропных материалах описанные выше свойства зависят также от направления распространения волны в кристалле. На рис. 4 представлена зависимость коэффициента преломления ниобата лития, n, от приложенного напряжения и толщины пластины. Рис. 4. Расчетная зависимость коэффициента преломления ниобата лития При этом оптическая ось пластины ориентирована перпендикулярно плоскости пластины. Из результатов наших расчетов следует, что изменение коэффициента преломления наблюдается только в шестом знаке после запятой, причем изменение толщины слоя оказывает большее влияние на коэффициент преломления, чем напряжение. Результаты исследования сдвига фазы волны (в градусах) длиной 1 550 нм, распространяющейся перпендикулярно пластине толщиной 10 мм от приложенного напряжения, представлены на рис. 5. Рис. 5. Зависимость сдвига фазы от напряжения Таким образом, изменение напряжения в пределах до 180 мкВ приводит к сдвигу фаз на 360°, что является достаточным для управления антенной. Система линз Линзовая система должна преобразовывать лучи, выходящие из фазовращателя, таким образом, чтобы расстояние между ними на выходе системы составляло порядка половины длины волны. Кроме того, выходные лучи должны быть параллельны друг другу. Пример такой системы представлен на рис. 6. Рис. 6. Схема линзовой системы Расчет этой системы с используемой длиной волны 1 550 нм получен с помощью системы параксиальных линз в программе ZEMAX. Здесь представлена многоступенчатая схема, каждый «каскад» которой уменьшает расстояние между лучами приблизительно в 5 раз. Очевидно, что с помощью многоступенчатой схемы можно получить любое расстояние между выходными лучами. Заключение В данной работе представлены физические основы построения оптической антенной решетки. Данная антенная решетка основана на системе зеркал и линз. Для обеспечения необходимого фазового сдвига предлагается структура на основе ниобата лития. Найдены основные аналитические выражения, описывающие поведение системы. Также представлены результаты расчета параметров линзовой системы в программе ZEMAX.
1. Zhao Y., Alu A. Optical nanoantennas and their applications // Proceedings IEEE Radio and Wireless Symposium (Piscataway, NJ, United States, 20-23 January 2013). P. 58-60.
2. Snyder H. S., Platt J. R. Principles of Optical Communication Systems General Properties of Non-Image Forming Projectors and Receivers // Journal of the Optical Society of America. 1948. V. 38 (3). P. 269-278.
3. Smith W. Modern optical engineering. New York: McGraw-Hill, 2000. P. 618.
4. Pat. RF 2552142C2.-2015. Opticheskaya fazirovannaya antennaya reshetka / Verba V. S., Voroncov L. V., Danilenko D. A., Babaylov A. A.; opubl. 06.10.2015.
5. Peter J. W., Neilson D. T., Andrew A. R. Fiber-optic transmission and networking: the previous 20 and the next 20 years // Optics Express. 2018. V. 26 (18). P. 24190-24239.
6. Krasnok A. E., Maximov I. S., Denisyuk A. I. Optical nanoantennas // Usp. Phys. Nauk. 2013. V. 183. N. 6. P. 561-589.
7. Vytovtov K. A., Barabanova E. A., Barabanov I. O. Next-generation switching system based on 8 × 8 self-turning optical cell // Proceedings Int. Conf. on Actual Problems of Electron Devices Engineering. Moscow, 2018. P. 306-310.
8. Vishnevskiy V., Semenova O. Queueing system with alternating service rates for free space optics-radio hybrid channel // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 2010. N. 6235 LNCS. P. 79-90.
9. Bharadwaj P., Deutsch B., Novotny L. Optical Antennas // Advances in Optics and Photonics. 2009. P. 438-483.
10. Eggleston M. S. Optical antenna enhanced nanoLEDs for on-chip optical interconnects // 2015 IEEE Summer Topicals Meeting Series (SUM) Conference (Nassau, Bahamas, 13-15 July 2015). P. 152-154.
11. Matyunina S. A., Fedotova Y. A., Babaeva O. G., Wirchenko M. K., Gusev M. Y., Neustroev N. S. Fiber-optical sensors based on mono-crystal films of garnet ferrites for mechatronic systems // Procedia Engineering. 2015. V. 106. P. 202-209.
12. Li G. Z., Chen Y. P., Jiang H. W., Chen X-F. Enhanced Kerr electro-optic nonlinearity and its application in controlling second-harmonic generation // Photonics Research. 2015. V. 3 (4). P. 168-172.
