Оптический мультивибратор

 

(в) RU (и) 20Î3150 Cl (51) 5 G02F3 00

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K ПАТЕНТУ

1 (21) 4893468/25 (22) 24.12.90 (46) 15.11.93 Бюп. Иа 41-42 (71) Институт общей физики АН СССР (?2) Майер AA (73) Майер Апександр Александрович (54) ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР (57) Изобретение относится к оптическим логическим элементам. Сущность: оптический мультивибратор содержит два кубично-непинейных туннепьносвязанных световода. охваченных цепью обратной связи с выхода одного из световодов на вход другого, при этом в цепи обратной связи установлен преобразователь одной циркулярной поляризации в другую . Дополнительно в цепи обратной связи может быть установлен поляризационный фильтр. 1 з.п.ф — лы, 3 ил.

2003150!

1зобретение относится к нелинейной

;.::: «ральной и волоконной оптике.

tpI$ Лестен оптический мультивибратор

; ., содержащий два кубично-нелинейных

:,«е.; »Ho.oâÿaàHH6tx волновода (ТСВ), ox::::-:.i! ;.". Обратной связью. Указанный or>, - :"::; -«r .ë;-,5pàTop выбран в качестве

: !,-:::.: С::.Т,O:. s ПРОТОТИПа ЯВЛЯЕТСЯ ПаРа. : В » Я ння набеГа фазы сиГнала в цепи

:,-,-.- Гл-,:.- :,и и, как следствие, нестабильг -;" ь:::;, "„:.l6tх харак1еристик мультивиб" ,;,.1 ; (, .:,ель:.,:-Обретения — устранение пара;.: г -;;.-i/-$ИЯ набеfa Фазы сигнала В це=i;. а;н.;:,"; связи и pt af:oe повышение .:.»ьн»- .- -:i выходных характеристик ,-i", f.!»0!. QTr»»Р Г$

:: .::»ь дас-;игаегся тем, что в канале обрат«1 установлено устройство, преобра,.-:.здну циркуляоную поляризацию в

:«;;: .с;.

1 .ip1jeTeêt»te пояснЯетсЯ чертежами

1 фиг, f приведена зависимость козф"

",;:т-:-:-еоедач .. моьцности излучения

: »,.:х; i $ТСО НУЛЕВЫМ ВОЛНОВОДОМ OT ttop *. . .-,, - : fi2й «ьчтенсивнocти сигнала, имею .г "„Ю ЦИП ;;»»ЛЯОНyto ПОЛЯРИЗВЦИЮ, ». i" l 1акзч .;3. СИГНВЛ (З1 И Наха!Ка (p) Под

$; .: о: -»::„ë одного волновода: Bop =0,948, 1 »Jp...»., Гх1Л " (.», б) на вхоДЫ Разных волновоДов;

На фиг, 2 представлены устройства, Оеванные на нелинейных ТСВ с обратной

:;:.1язью, в качестве оптических мультивибра! ОРОВ, .1а фиг. 3 показаны последовательности и рямОугольных импульсов излучения на вы". ходе ТСВ (для схем на фиг. 2,8 и 2,б lo1 И г).

МЕТОД Ч toTO OflTf»f fOCroit O ПВРЕКЛ1ОЧЕНИЯ излучения (3) в туннельHo связанных Волно

«Одах (т(;Ю вызывает все Возрастающии ин-.:;-0=- ::, В связи с ВозможностьЮ создания на его основе переключающих элементов для

Оптических вычислительных машин, Оптических транзисторов, мультивибратОрОВ и т.д..

Зтот метод основан на явлении самоперекл очения излучения в ТСВ (3-6). (Самопереключение излучения может иметь место и в других системах с Однонаправленными распределенно-связанными волнами (ОРСВ)), Исследование переключения накачки на частоте v (в ТСВ и друГих системах с

ОРСВ) с входной интенсивностью, близкой к крити еской (3), слабым управля1ощим сиг налом на частоте в показало, в частности, что выходные интенсивности волн не зависят от входных фаз сигнала и накачки.

Предположим теперь другую, во многом аналогичную (7) ситуацию, а именно что сигнал и накачка имеют разную циркулярную поляризацию (а их частоты одинаковы), В этом случае, как нетрудно убедиться, взаимодействие сигнала и накачки в.изотропных

"" ТСВ описывается уравнениями

= — Оо(!Фор! + 2IAosl )Аор, 2 2 — + ехр(— 4 p 1)Aop =

= — %(! A1p I + 2 A1s I )A f p, ф — — — — в + K,õ„p(iaZK ß)A1s =

1 дно с ?

= — о(! Аоз + 2 Аор )Аов

1,8 — .. — + Кехр(— и2ЬТ/Л.)Aos =

)$ дд1з с Я

=- — В (! А !? + 2 I A1p I 2)A„

35 где Ajs Ajp — амплитуды сигнала и накачки в

j-м волноводе, полностью аналогичными уравнениям в (7), но более простыми, так как в данном случае коэффициенты связи К волн сигнала.и накачки одинаковы, как и их параметры расстройки а . В уравнения входит также один и тот же нелинейный коэффициент 6), Иными словами, уравнения (1) являются частным случаем уравнений (7), Разумеется, справедливы и соответствую45 щие интегралы (7) в частности;

Е = !о-+ j1s = loso+ j1so, !

Ор + !1р = !Оро + !1ро

С вЂ” Kp lpplip $0$(Фр) 1 »ГОв!1вс0$(Фя) — (XpPoplop — cq8os los + 6hp !ihip/4 + Жв фв/4 +

О1рйр 4 + 01 заев» 4 + Q)splop )os + Ьзр!1р!1з, где Е, 6 — интег рал ы;

2003150

Ijs = I Ajs . ljp = I Ajp — интенсивности

2 сигнала и накачки в j-м волноводе;

% IPJ p фзр и % P» ф08 Ар Pis — фазы накачки и сигнала;

ljs(Z=0) = ljso, ljp(Z=0) — = ljpo — входные интенсивности волн.

Поэтому естественно ввести коэффициенты передачи энергии j-м волноводом;

Tjs = ljs1/(l0sO+ l1s0) Tjp = !)р1/(!Оро+ !1ро), где Ijs(Z = 1) =- Ijst Ijp(Z=1)=jjpi — выходные интенсивности волн.

Имеем: TÎp+ T1p = 1, Òîs+ Ò» = 1, Введем 15 также нормирование (на критическое значение IM = 8К/ l%+ 0> I ) входные интенсивности, Rjp = !jpo/!и, Rjs = !ьво/!м и

1 нормированную длину L = 2лК р .

В силу аналогичности уравнений {1) и в (7), даже без решения (1), можно сделать вывод о там, чта при подаче на вход сигнала, поляризованнога ортоганально накачке, выходные интенсивности сигнала и накачки 25 не зависят от входных фаз сигнала (p>so) и накачки (pjpo), Численное решение (1) (см.фиг.1) подтвердило сказанное и для идентичных TCB (а =: О, 66 = 01 = @ показало следующее. 30

В областях самопереключения можно пользоваться аппроксимацией (5)

Т;, =0,5 35

1 + (r /256)exp(2L) где г! = 1 - г и г- = (Вор - 3.2В») для случая ввода накачки и сигнала в разные волновады: 40 г2 = (Rop+ 3,2В») при вводе накачки и

2 сигнала в один волновод.

Крутизна характеристики в средней точке M (т.е. коэффициент усиления оптического транзистора) оценивается по формуле Iksl

= (81jpt/д!»о! = I BljstlRI»o I =3,2exp(L)/8, В случае ввода накачки и сигнала в один волновад при Rop + 3,2йоз = 1 + 8ехр(-l ) почти все излучение накачки покидает нулевой волновод. 50

Полученные результаты можно использовать для создания оптических мультивибраторов, устойчивых к нестабильности фазы волны в цепи обратной связи, Примеры таких мультивибраторов показаны на фиг.2. 55

Используем основную идею (1,2) создания оптического мультивибратора íà ТСВ, Пусть, например, постоянное циркулярно поляризованное излучение (накачка) с нормированной интенсивностью Rop=1 8ехр(-L) вводится в нулевой волновад, а часть излучения с выхода первого волновода пропускается сквозь устройство Р, преобразующее одну циркулярную поляризацию в другую, и подается (с помощью зеркал или волновода обратной связи (2)) на вход нулевого волновада (фиг.2,а), причем коэффициент передачи энергии с выхода первого волновада на вход нулевого равен: д = ехр{-L)/Rop. Таким образом R» = О, Rop =- 1-8ехр(-1), Ros =

=дг!Ор=бехР{- .), Rop + 3,2Ros = 1+BexP(-! ).

При таком выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс, Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент t=0 через время своего прохода по ТСВ, равное Т, оказывается на выходе первого валновода. Затем через время Tt (время пробега излучением цепи обратной связи) часть этого излучения начинает вводиться (вместе с накачкой) в нулевой волновад, и поэтому еще через время Т, т.е. в момент ", = 2г+ Tf все излучение начинает выходить уже из нулевого волновода. Следовательно, ь момент t = 2r+ 2г прекращается ввод сигнала в нулевой волновод, и поэтому в момент t = 2г f - Зг все излучение вновь выходит из первого валновода. В дальнейшем процесс повторяется с периодам, равным 2(Tf + T) (фиг.3).

В ряде случаев схема оптического мультивибратора может быть неустойчива в связи с тем, что па каналу обратной связи проходит излучение с поляризацией, отличной от требуемой. В этих случаях целесообразно ввести в канал обратной связи поляризационный фильтр F, препятствующий проходу паразитного излучения (фиг.2, б, в. г).

В схеме оптического мультивибргтора на фиг,2,в,г циркулярно поляризованная накачка с Rop = I+8exp(-L) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода нулевого волновода пропускается сквозь поляроид F, не пропускающий(в канал обратной связи) излучение с циркулярной поляризацией, противоположной исходной, затем сквозь устройство Р, преобразующее одну циркулярную поляризацию в другую, и затем вводится в первый волновод. Причем коэффициент передачи мощности с выхода нулевого волновода на вход первого равен:д =бехр(-L)/Rop т,е. Ros =- О, Rop — 1+

+8exp(-L), В» = =дйор= ехр(-!) .

При указанном выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс. Излучение. поступившее на вход нулевого волновода в момент ам=0, через вреMR T оказывается на выходе нулевого валновода, Затем через время 1 часть этого

2003150

:;;., е ия начинает вврдиться в первый волновод и поэтому еще через время т, т.е.

= .- омент t = 2 г+ тт, все излучение начинает выходить уже иэ первого волновода, Следовательно, в момент t =2 г+ 2т f прекращает- 5

< я;шступление сигнала в первый волновод

:;зтсму в момент t = 2 р+ Зт все излучение на ;.ачки вновь выходит из нулевого волновода. Ы дальнейшем процесс повторяется с периодом 2{тг+ т), 10

Итак, в обеих рассмотренных схемах на

-выходе волноводов формируются две противо.ьазные последовательности импульсов по ..и прямоугольной формы (фиг,3). Дли-сльность одного импульса равна т + t:. 15

B то ение этого времени все излучение выходит либо из первоrî, либо из нулевого водновода. Таким образом, система является оптическим мультивибратором в режиме автоколебаний, 20

Еще раз подчеркнем, что в данных схе;ах оптического мультивибратора на ТСВ (в отличие от (1,2)) выходные интенсивности

;":,о н н зависят от набега фазы сигнала в.

25 йрлмер,<онкре ной реализации изобпетения, Для создания оптического мультивиб,:,п;>:. схема которого изображена на

:;-и..,а, 3 качестве ТСВ использованы две 30

o„" Lu aêo алые жилы двужильного волоконнога световода, которые в сочетании с общей оболочкой из плавленного кварца образовывали одномодовые волноводы, туннельно-связанные между собой, Скачок 35 показателя преломления между жилой и оболочкой й1 =-0,005; радиус одной жилы а = 1,3 мкм; площадь поперечного сечения

5 = 5 10 c ; расстояние между краями жил составляло 6 мкм; длина одной перекач- 40 ки в линейном режиме1ь =4м; коэффициент туннельной связи К 10; длина ТСВ 1 = 6

-6, м; l = 1,6л: нелинейный коэффициент О

10 см /эрг; критическая мощность =8,7

-12

Вт, На вход мультивибратора поступало из- 45 лучение от аргонового лазера(Л = 0,51 мкм) мощностью =10,3 Вт. В качестве смесителя (у входа нулевого волновода) использовали полупрозрачное зеркало с коэффициентом отражения =20 и коэффициентом пропу- 50 скания =80Я,, Поэтому в нулевой волновод первоначально поступало излучение мощностью примерно 8,25 Вт, что отвечало интенсивности IJ), При этом почти все (1) излучение выходило из первого волновода и направлялось(с помощью зеркал) по каналу обратной связи на вход нулевого волновода. Канал обратной связи был снабжен устройством Р, при проходе излучения сквозь которое правая циркулярная поляризация излучения преобразовывалась в левую циркулярную. Длина канала обратной связи составляла 6 м и время прохода света по нему Tf =20 нс. Время прохода по

ТСВ t =,30 нс, Коэффициент передачи мощности излучения с выхода первого волновода на вход нулевого составлял д = 10,4, поэтому через время т+тт = 50 нс после появления излучения на выходе первого волновода излучение из канала обратной связи (имеющее левую циркулярную поляризацию) мощностью 0,28 Вт вместе с излучением накачки мощностью 8,25 Вт вводилось в нулевой волновод, В результате еще через время т =.30 нс почти все излучение накачки мощностью 8,5 Вт оказывалось на выходе нулевого волновода. В дальнейшем процесс повторялся с перидом t + tt =-50 нс, и на выходе волноводов формировались две противофазные последовательности прямоугольных импульсов, причем длительность каждого импульса составляло примерно 50 нс. (56) Майер А.А. О самопереключении излучения, введенного в два неидентичных туннельно-связанных волновода, Препринт

N 351, 1987, с. 45, А.А.Maier, Light Seif-Swithers aud optical

Transistors Based on Tunnel-Coupled Opticai

NfaveguIdes (ТСОВ/з). — Papers on 0ptical

Communication, SPiE риЫ(cation 1988, special Issue, рр 27-37, Авторское свидетельство СССР

N -1152397, кл, G 02 F 1/37, 1988, Майер А,А. Оптические транзисторы и бистабильные элементы На основе нелинейной передачи света системами с однонаправленнь,ми связанными волнами,—

Квантоь=.л электроника, 9, N 11, 1982, с, 2296-2302, Майер А,А. О самопереключении света в направленном ответвителе, — Квантовая электроника, 11. N. 1, 1984, с. 157-162.

Майер А.А. Самопереключение света в интегральной оптике, — Изв. АН СССР, сер,физ., 48, N 7, 1984, с. 1441-1446.

Майер А,А, Переключение излучения в туннельно-связанных оптических волноводах слабым излучением на другой частоте.—

Препринт ИОФАН, M„N 122, 1985, с. 26, Квантовая электроника, 13, К 11. 1986, с, 1360-1368.

2003150

Формула изобретения t. ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР, содержащий два кубично-нелинейных туннельно-связанных световода, охваченных цепью обратной связи с выхода одного

Б световода на вход другого, при этом выходом мультивибатора является выход одного из световодов, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности выходной ° характеристики, в оптический мультивибратор дополнительно введен преобразователь циркулярной поляризации, расположенный в цепи обратной связи.

2. Мультивибратор по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен по крайней мере один поляризационный фильтр, установленный в цепи обратной связи.

П П от

P Р (в) R — I

Ор

П П П л

Ор

+ / о>

ФИГ.З.

Составитель А. Майер

Техред M.Moðråíòàë KoppeKTop H, Король

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Редактор Л. Волкова

Заказ 3234!

0s

2003150