Управляемый световодный элемент "светотрон

 

Управляемый световолный элемент , сойе|эжащий петлеобразный учасИзобретение относится к интегральной рптике, преимущественно к аолоконно-оптическим линиями связи и полупроводниковой оптоэлектронике. Известен оптический элемент, выполненный в виде одномодового световода , состоящего из сердцевины и оболочки и имеяйцего петлеобразный участок с малым радиусом кривизны. На петлеобразном участке происходит веделение из световода излучения с длинами волн, определяемыми уравнением 2 (п2-К)Ч2Ь /У f/il R Г П2-Г J 5 ,(1) 2Nir где Ъ - полуширина оболочки; Пл - коэффициент преломления оболочки; ток одномодового волоконного световода , имеющего сердцевину и оболочку , покрытого поверх оболочки полупроводниковой пленкой, о т л и чающийся тем, что, с целью обеспечения бесконтактного управления оптическим сигналом, в него введен управляющий световод, торец которого оптически сопряжен с полупроводниковой пленкой, покрывающей петлеобразный участок основного световода, причем толщина пленки составляет от 0,05 до 1,0 мкм. б фазовая постоянная моды света, передаваемого по световоду; К волновое число для свободного пространства; N .00 целое число; сд JR - радиус кривизны сердцевидо ны на петлеобразном участСР О5 ке световода; и jf (пгК). Уравнение

,SU„„1085396 А 1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (gg}$6 02 В 6/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

10ЕСОЮЗНМ рлкнтнс->

Н ASTOPCHOMV СВЩДГТЕЛЬСТВУ

/ ток одномодового волоконного световода, имеющего сердцевину и обо. лочку, покрытого поверх оболочки полупроводниковой пленкой, о т л и чающийся тем, что, с целью обеспечения бесконтактного управления оптическим сигналом, в него введен управляющий световод, торец которого оптически сопряжен с полупроводниковой пленкой, покрывающей .петлеобразный участок основного световода, причем толщина пленки составляет от 0,05 до 1,0 мкм. и = Р

Уравнение (1) определяет критические условия "светового пробоя" на . петлеобразном участке световода.

Однако единственным переменным параметром, при помощи которого можно настраивать элемент, является радиус кривизны световода на петле образном участке. Для перестройки элемента или для его включения и выключения необходимо механически госудю стненный комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3506888/10 (22) 28. 10 ..82 (46) 23.01.92. Бюл. Н 3 (72) И.Д.Богачев, НЛ".Довченко и B.К.Маслов. (53) 535 813(088.8) (56) Заявка Японии Ю 56-47521, кл. G 02 8 5/Й, опубл.1981

Заявка Японии Г. 56-47522, кл. О 62 8 5/14, опубл.1981. . j(54) УПРАВДЯЕИЫй СВКтоВОДНИГ ЗЛЯ ИЕКТ "СВЕТОТРОК" (57) Управляемый световодный элемент, содержащий петлеобразный учасИзобретение относится к интегральной оптике, преимущественно к волоконно оптическим линиями связи и полупроводниковой оптоэлектронике.

Известен оптический элемент, выполненным в виде одномодового свето" вода, состоящего из сердцевины и оболочки и имеющего петлеобразный участок с малым радиусом кривизны.

Ка петлеобразном участке происходит выделение из световода излучения с длинами волн, определяемыми уравнением

3 p2 LR nfÊ

2БЯ, (1) где Ъ вЂ” полуширина оболочки п2 — коэффициент преломления оболочки;

Р- фазовая постоянная моды света, передаваемого по с.ветоводу;

К - волновое число для свободного пространства;

N — целое число; — радиус кривизны сердцевины на петлеобразном участке сяетовода;

10853 изменять радиус кривизны петлеобразного участка.

Известен также оптический элемент, использованный для разделения свето5 вого излучения по длинам волн. В этом устройстве также имеется одномодовый световод, содержащий несколько петлеобразных участков. Существенным признаком является покрытие световода .поверх оболочки другим веществом, коэффициент преломления которого отличается от коэффициента преломления оболочки световода. Возможно разделение светового излучения по длинам волн на нескольких петлеобразных участках, различающихся между собой по радиусу кри. визны световода и по коэффициенту преломления покрытия, с последующим 20 измерением излучаемого.на каждой петле света при помощи Фотодетек.торов, установленных с наружной стороны каждой петли. Однако, хотя коэффициент преломления, покрытия -разли" 25 чается от одного петлеобразного участка световода к другому, устройство не предусматривает средств, позволяющих изменять во времени коэфФициент преломления покрытия B преде- ЗО лах каждого петлеобразного участка, В результате функциональные возможности данного устройства остаются очень ограниченными и оно не может найти широкого применения в инте,гральной оптике и в волоконно-оптических линиях связи. Известное устройство не позволяет осуществлять активного управления оптическим сигналом. 4О

Цель изобретения - обеспечение бесконтактного управления оптическим сигналом.

Поставленная цель достигается тем, что в световодный элемент, содержащий петлеобразный. участок одномодового световода, покрытый поверх оболочки пленкой полупроводникового вещества, вводится управляющий световод, торец которого оптически сопряжен с полупроводниковой лленкои, покрывающей петлеобразный участок основного, световода, причем тол" щина пленки составляет 0,0, до 1,0 мкм. Оптический сигнал подается в устройство через управляющий световод и имеет энергию квантов больше ширины запрещенной зоны полупроводника.

96

На чертеже. схематически изображен предлагаемый управляемый световодный элемент.

Одномодовый основной световод содержащий сердцевину 2 и оболочку

3, имеет участок в виде петли 4. На этом участке оболочка световода покрыта тонкой пленкой 5 полупроводникового вещества, на которую падает свет, излучаемый с торца управляющего световода 6. Интенсивность света, излучаемого радиально из петли 4 основного световода, измеряется Фотоприемником.

При конкретном выполнении устройства выбор радиуса кривизны петлеобУ разного участка основного световода производят с использованием известного уравнения, которое в типичных случаях для одномодовых кварцевых волокон и длин волн света в диапазоне

0,8"1,6 мк приводит к значениям радиуса кривизны петли порядка 10т мк.

При сборке прибора фиксируют радиус кривизны петли на таком значении, чтобы "световой пробой" на петле не происходил в отсутствие оптического сигнала, т,е. при значении к лишь несколько меньше вычисленного по уравнению для выбранного значения N.

Выбор материала полупроводниковой пленки производят с учетом требований к характеру преобразования оптического сигнала. В любом случае ширина запрещенной зоны полупроводника Е должна быть меньше энергии квантов света в управляющем световоде 6, несущих оптический сигнал

S) „>E (2)

Но относительно энергии квантов света в основном световоде возможны два варианта: энергия квантов света в основном световоде меньше ширины запрещенной зоны полупроводника (h) „ Е ):, (3) . энергия квантов больше ширины запрещенной .зоны полупроводника

О т оси Вф)

При использовании предлагаемого элемента в качестве Фотодетектора или оптического усилителя используется первый вариант. При этом пленка может быть выполнена из арсенида

1085396 галлия, длина волны света в управляющем световоде 0,9 мкм и меньше,длина волны света в основном световоде больше 0,9 мкм. !

При использовании элемента в ка35

55 честве переключателя или оптического элемента памяти используют второй вариант. При этом плен" . ка также может быть выполнена из 10 арсенида галлия, а длина волны света и в управляющем, и в основном световодах меньше 0,9 мкм.

- Представляется возможным использовать как неорганические, так и ор- 15 . ганические Фотопроводящие полупроводники.

Устройство работает следующим образом. .Оптический сигнал подается в уст- 20 ройство через управляющий световод

6. Свет излучается с торца управляющего световода 6 и йопадает на полупроводниковую пленку 5. При - вышеука"

25 занном соотношении (2) энергии квантов света, Излучаемых управляющим световодом, и шириной запрещенной зоны в полупроводнике генерируются электроны и дырки под действием падающего света, соответственно уменьшается коэффициент преломления полупроводника и достигается выполнеwe критического. условия "светового пробоя". Интенсивность остаточногоизлучения в основном светоноде 1 уменьшается. Выходящий на петлеобразном участке световода свет реги-, стрируется каким-либо Фотоприемником.

Соответственно мощность света, распространяющегося по световоду 1 после прохождения-петлеобразного участ" ка, может быть. измерена известными приборами на выходе световода 1.

Приведенное описание соответствует работе устройства в режиме уси- . лителя. Дрязгой возможный режим работы - в качестве переключателя или оптического элемента памяти. Для этого необходимо выполнение условия (11) . В этом случае состояние

"светового пробоя" будет сохраняться и после выключения управляющего импульса света. Генерация носителейзаряда в полупроводнике и соответствующий сдвиг коэффициента прелом-,, ления будет продолжаться неограни-ченное время за счет излучения, вы" ходящего из основного световода и! поглощаемого частично полупроводниковой пленкой. Для возвращения устройства в первоначальное состояние необходимо кратковременное выключение подачи света в основной световод 1.

Из приведенных опытов установлено, что достаточно очень малого изменения коэффициента преломления на поверхности петлеобразного световода (Ьп/и 10" ), чтобы обеспечить достижение "светового пробоя" по уравнению (1). Для такого изменения коэффициента преломления полупроводниковой пленки арсенида галлия на поверхности световода диаметром 100 мк достаточно световой мощности оптического сигнала 10 8т.

Типичное значение мощности светового излучения в световоде 1 составляет 1О l3T.

Сравнение этой величины с мощно" стью оптического сигнала, обеспечивающегo достижение условий "свето" . вого пробоя", дает характерную величину усиления оптического сигнала по мощности Р = 10 Вт/10 Вт = 10 которая достигается в предлагаемом устройстве.

При работе предлагаемого устройства в режиме оптического усилителя длительность фотоответа совпадает с длительностью управляющего импульса света с точностью до величины порядка времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковой пленке. Этот параметр определяет и предельные значения рабочих частот импульсных сигналов. Обычное значеwe времени жизни носителей заряда в арсениде галлия равнр !0 с, что обеспечивает достижение рабочих час- тот порядка 1 МГц. Использование полупроводников, специально легированных рекомбинационно-активными примесями, позволит поднять рабочие частоты до нескольких десятков мегагерц, Для обеспечения высокой чувствительности устройства толщина полупроводниковой пленки не должна превосходить значения диффузионной длины неосновных носителей заряда в данном полупроводнике. Например,для арсенида галлия это соответствует толщинам пленки порядка 1 мкм. Минимальная толщина пленки порядка

Техред A,Кравчук Корректор С.Шекмар

Редактор О.филиппова Ю

Подписное

Заказ 792

ВНИИПИ Государственного

113ц35, Тираж комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,103

7 1085396

0,05 мкм определяется из условий - Большим достоинством является то, сплошности пленки при ее осаждении, . что управление параметрами устройства (включение, подстройка, выклюТехнико-экономическая эффектив5 чение) .обеспечивается бесконтактно ность предлагаемого управляемого при помощи оптического сигнала. Воз" световодного элемента определяется можность оптического усиления светоего принципиально новыми свойствами вого сигнала, поданного по управляюпо сравнению с известными действую" щему световоду, исключает необхощими интегрально-оптическими устрой- 10 димость применения в усилительных ствами и вытекающей отсюда возмож- узлах волоконно-оптических линий ностью многофункционального приме- связи электронных усилителей, тренения в интегральной оптике и в во- бующих организации независимого элеклоконно-оптических линиях связи. трического питания,