Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала

Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в малоинерционных оптических логических устройствах и пикосекундных переключателях, устройствах для обработки световых информационных потоков, обеспечивающих переключение, разветвление, разложение в спектр и фильтрацию оптических сигналов. Сущность изобретения: слои с большими оптическими толщинами, равными d_n=x·λ_от/4 и одновременно d_n=y·λ_пр/4, где λ_от - средняя длина волны полосы отражения оптического диэлектрического зеркала, λ_пр - средняя длина волны полосы пропускания оптического диэлектрического зеркала, х, у - целые числа, такие, что х=у±1, выполнены из сегнетоэлектрического материала или другого оптически активного материала, обеспечивающего изменение показателя преломления на основе электрооптических, акустооптических, термооптических, механооптических эффектов. Технический результат: осуществление оптической коммутации как минимум по одному выходу при скорости передачи сигналов порядка единиц пикасекунд, с сохранением точности и достоверности сигнала. 8 ил.

 

Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано для создания малоинерционных оптических логических устройств и пикосекундных переключателей, устройств для обработки световых информационных потоков, обеспечивающих переключение, разветвление, разложение в спектр и фильтрацию оптических сигналов.

Известен нелинейный перестраиваемый металлосегнетоэлектрический фотонный кристалл (пат. RU 2341817, МПК G02F 1/05, 10.05.2008) и способ его переключения. Фотонный кристалл содержит подложку, на поверхность которой нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, на котором закреплена дифракционная решетка из меди, при этом материал обеспечивает возможность излучения светового потока на частоте второй гармоники, а дифракционная решетка является одновременно системой электродов для подачи переключающего поля. Переключение фотонного кристалла заключается в изменении угла направления светового луча на частоте второй гармоники. Изменение угла выхода светового луча из фотонного кристалла осуществляют удвоением периода нелинейной дифракционной решетки за счет переключения поляризации в сегнетоэлектрической пленке при приложении напряжения к электродной структуре в виде входной дифракционной решетки. Изобретение реализует коммутацию за счет пространственного разделения оптических длин волн по углу выхода из перестраиваемого металлосегнетоэлектрического фотонного кристалла.

Недостатком устройства и способа коммутации является трудность пространственного сопряжения двух выходов из-за малого различия углов выхода из дифракционной решетки на близком расстоянии к дифракционной решетке; а также в большом затухании за счет расхождения светового луча при вводе в волновод на расстоянии от дифракционной решетки. Недостатком также является энергетическая неэффективность устройства, так как полезное излучение составляет один из боковых лепестков от центрального максимума.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптический переключающий элемент (пат. RU 2096815, МПК G02B 26/00, 20.11.1997). Оптический переключающий элемент содержит подложку и нелинейный элемент, расположенный на поверхности подложки. Нелинейный слой представляет собой тонкую пленку материала с низким показателем преломления n_н и вкрапленные в нее микрокристаллы, сформированные из материала с высоким показателем преломления n_в и имеющие размер d, определяемый из соотношения, 0,2·a₀<d<3a_o, нм, где a₀ боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала. Изобретение реализует широкополосную коммутацию за счет переключения режима максимального пропускания (включение) в режим затемнения (выключение).

Недостатком такого устройства является отсутствие прямого переключения между несколькими выходами из устройства, для коммутации между различными выходами требуется дополнительное устройство разветвления и размещения в каждом плече разветвления оптического переключателя.

Известен оптический многослойный фильтр - многослойное диэлектрическое селективное зеркало (пат. RU 2330313, МПК G02B 5/28, 27.07.2008), который состоит из N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления, а оптическая толщина каждого слоя составляет λ/4, где λ - средняя длина волны полосы отражения оптического фильтра. При этом оптический многослойный фильтр выполнен состоящим из входного оптического трансформатора, избирательной части и выходного оптического трансформатора. Данное устройство принято в качестве прототипа для заявленного устройства, так как имеет наиболее схожую структуру фильтрующего элемента.

Принципиальным ограничением функциональной возможности устройства является то, что изобретение обеспечивает только пассивную селекцию оптических сигналов по длинам волн.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей многослойных диэлектрических селективных зеркал, оптических многослойных фильтров и создание активного коммутационного элемента, обеспечивающего перестраиваемое селективное отражение длин волн за счет изменения показателя преломления на основе линейных или нелинейных оптических, акустооптических, термооптических, электрооптических, механооптических эффектов. Задача изобретения состоит также в повышении скорости передачи сигналов и их точности и достоверности при сохранении упрощенной схемы формирования условий для переключения во времени направленного светового потока.

Поставленная задача достигается тем, что в перестраиваемом многослойном диэлектрическом селективном зеркале, состоящем из входного и выходного оптического трансформатора, входного поляризатора, устройства передачи внешнего воздействия: электродов, пластин и/или мембран, расположенных по поверхности многослойного диэлектрического селективного зеркала, и избирательной части, содержащей N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с максимально отличающимися показателями преломления, допустимыми при заданной ширине полосы отражения, таких что оптическая толщина любого слоя - d_n удовлетворяет одновременно: d_n=x·λ_от/4 и d_n=y·λ_пр/4, либо только d_n=λ_от/4, где λ_от - средняя длина волны полосы отражения диэлектрического зеркала, λ_пр - средняя длина волны полосы пропускания диэлектрического зеркала, x, y - целые числа, такие что x=y±1, слои с большими оптическими толщинами выполнены из сегнетоэлектрического материала или другого оптически активного материала, обеспечивающего изменение показателя преломления на основе линейных или нелинейных оптических, акустооптических, термооптических, электрооптических, механооптических или иных эффектов.

В заявленном устройстве в отличие от прототипа реализуется коммутация и разделение оптических длин волн за счет изменения оптической протяженности структуры на пути проходящего излучения, а значит интерференционных соотношений, и смещения диапазона отражения/пропускания. Излучение детектируется прямо на выходе из многослойной структуры, без пространственного разделения оптических длин волн по углу выхода из перестраиваемого фотонного кристалла, без преобразования частоты коммутируемого излучения.

Заявленное изобретение отличает от пат. RU 2330313 соотношение толщин слоев и их порядок, а также то, что активная ячейка в заявленном устройстве - многослойное диэлектрическое селективное зеркало - является перестраиваемым.

Заявленное изобретение отличается от пат. RU 2096815 тем, что реализует коммутацию и разделение оптических длин волн в перестраиваемом фотонном кристалле за счет изменения оптической протяженности структуры на пути проходящего излучения, а значит интерференционных соотношений, и смещения диапазона отражения/пропускания.

Заявленное изобретение принципиально отличается от пат. RU 2341817 тем, что излучение детектируется прямо на выходе из многослойной структуры, без пространственного разделения оптических длин волн по углу выхода из перестраиваемого фотонного кристалла, без преобразования частоты коммутируемого излучения.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Согласно настоящему изобретению заявленные объекты характеризуются новыми особенностями, такими как:

- многослойное диэлектрическое селективное зеркало изготовляется непосредственно на сколе оптического волокна,

- функционирование коммутационного элемента осуществляется за счет изменения оптической протяженности фотонного кристалла,

- переключение осуществляется при помощи электрического поля;

- переключение осуществляется при помощи магнитного поля;

- переключение осуществляется при помощи теплового воздействия;

- переключение осуществляется при помощи акустического воздействия;

- обладает лучшей формой частотной хатактеристики за счет выбора оптимального соотношения параметров фотонного кристалла.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

Существо изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена схема устройства.

На ФИГ.1 показано схематическое изображение структуры перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала вида (HL)⁵H с оптическими толщинами слоев d_L=λ_oт/4=321 нм, d_Н=7·λ_от/4=6·λ_пр/4=2307 нм, показателями преломления n_L=1,48, n_H=2,3, по оси абсцисс отложены геометрические толщины слоев;

на ФИГ.2 показана зависимость коэффициента отражения от длин волн фотонного кристалла по фиг.1;

на ФИГ.3 показана структура оптического переключателя, реализованного на электрооптическом эффекте, где 1 - металлическая пластина, 2 - многослойная структура, 3 - поляризатор;

на ФИГ.4 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при отсутствии электрического поля;

на ФИГ.5 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при наличии электрического поля, показана возможность управления во времени пространственно-частотным распределением светового потока;

на ФИГ.6 показаны зависимости коэффициента отражения фотонного кристалла при режимах работы с отсутствием(а)/присутствием(б) электрического поля от длины волны, где график a - зависимость коэффициента отражения от длины волны для активной ячейки до внешнего воздействия и б - после воздействия.

на ФИГ.7 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при отсутствии управляющего интенсивного излучения, где 4 - оптический циркулятор, 5 - перестраиваемое многослойное диэлектрическое селективное зеркало, 6 - многослойное диэлектрическое селективное зеркало;

на ФИГ. 8 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при наличии управляющего интенсивного излучения, показана возможность управления во времени пространственно-частотным распределением светового потока;

Устройство содержит оптически активную многослойную ячейку вида (HL)⁵H с оптическими толщинами слоев d_L=λ_oт/4=321 нм, d_Н=7·λ_от/4=6·λ_пр/4=2307 нм показателями преломления n_L=1,48, n_H=2,3. Вид активной ячейки коммутационного элемента приводится на ФИГ.1. Наиболее протяженные компоненты перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала (H) выполнены из оптически активного материала и способны под действием управляющего напряжения U_упр изменять показатель преломления, а следовательно, оптическую толщину компонента, тем самым осуществлять частотный сдвиг коэффициента отражения. Смещение в частотной характеристике многослойного диэлектрического селективного зеркала в представленной активной ячейке коммутационного элемента интерпретируется как коммутация по длине волны. Схема включения активной ячейки коммутационного элемента и коммутация по длине волны до воздействия управляющим напряжением и после воздействия показаны на ФИГ.4 и ФИГ.5 соответственно. На ФИГ.6 график а) видно, что коэффициент отражения на длине волны 1310 нм равен 0,98, что соответствует затуханию пропускания 16,99 дБ. Из ФИГ.6 график б) видно, что коэффициент отражения на длине волны 1310 нм уже равен 0,02, что соответствует затуханию пропускания всего 0,088 дБ.

Активная ячейка ФИГ.1 поглощает оптическое излучение в очень малых количествах, так как имеет короткую физическую протяженность (7102 нм, поперечный размер одномодового волокна 10000 нм) и выполнена из диэлектрических, прозрачных материалов. Однако имеет место явление расхождения светового потока в теле оптически активной ячейки и поляризатора, что обуславливает основные энергетические потери в элементе. Существует проблема ввода светового потока в торцы сердцевины оптических волокон, с которыми смыкается оптически активная ячейка и поляризатор. Для успешного решения проблемы ввода оптической мощности в световедущую часть оптического волокна с минимальными потерями на этапе производства перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала используются способ искривления поверхности раздела слоев и способ реализации конструкции перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала в теле волокна или выращивание слоев непосредственно на одном сколе волокна. Далее следует прецизионная стыковка с сердцевиной второго волокна. Размещение конструкции в иммерсионной жидкости с низким показателем преломления, которая будет выполнять функции, аналогичные функциям оболочки обычного оптического волокна. Далее следует герметизация, нанесение эпоксидного клея и усиление конструкции тремя стальными прутками.

В другом варианте исполнения устройства коммутация осуществляется на основе эффекта изменения показателя преломления оптически активной среды под действием интенсивного оптического излучения в перестраиваемом многослойном диэлектрическом селективном зеркале. Схема коммутации при перестройке многослойного диэлектрического селективного зеркала под действам управляющего излучения показана на ФИГ.7. Схема включения состоит из двух многослойных диэлектрических селективных зеркал (МДСЗ), одно из которых перестраиваемое (ПМДСЗ). Без внешнего воздействия ПМДСЗ отражает информативное оптическое излучение на частоте f_ИНФ, ФИГ.7. Под действием интенсивного излучения f_УПР, ФИГ.8 ПМДСЗ перестраивается на пропускание информативного оптического излучения f_ИНФ. МДСЗ служит для отражения интенсивного излучения управления обратно в сторону активной ячейки ПМДСЗ и предотвращает прохождение интенсивного не информативного излучения на Выход 1. МДСЗ всегда прозрачно для информативного излучения. Видно, что по Выходу 1 в зависимости от управляющего излучения детектируется либо не детектируется информативный сигнал. Если не детектируется, то его можно обнаружить на Выходе 2 схемы ФИГ.7.

В конструктивных вариантах с целью расширения функциональных возможностей заявленное изобретение может быть выполнено в виде объемного оптоэлектронного модуля или объемного интегрального модуля, или монтажной платы, или печатной платы, или тканой платы, или коммутационной платы, или световодной ленты, или плоского световодного кабеля.

Данное изобретение может быть выполнено в виде отдельного устройства, в виде интегральных оптоэлектронных модулей в волоконно-оптических телекоммуникационных системах и системах связи, а также в оптических компьютерных системах и вычислительных устройствах промышленного применения.

Оптический коммутационный элемент, состоящий из входного и выходного оптического трансформатора и избирательной части на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала, содержащего N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с максимально отличающимися показателями преломления, допустимыми при заданной ширине полосы отражения, отличающийся тем, что на входе в коммутационный элемент реализовано устройство поляризации, при этом также реализовано устройство передачи внешнего воздействия: электроды, пластины и/или мембраны, расположенные по поверхности многослойного диэлектрического селективного зеркала, при этом также оптическая толщина любого слоя многослойного диэлектрического селективного зеркала - d_n удовлетворяет одновременно:
d_n=x•λ_от/4 и d_n=y•λ_пр/4, либо только d_n=λ_от/4,
где λ_от - средняя длина волны полосы отражения многослойного диэлектрического селективного зеркала;
λ_пр - средняя длина волны полосы пропускания многослойного диэлектрического селективного зеркала;
х, у - целые числа, такие, что х=у±1,
при этом также слои с большими оптическими толщинами выполнены из сегнетоэлектрического материала или другого оптически активного материала, обеспечивающего изменение показателя преломления на основе линейных или нелинейных оптических: акустооптических, термооптических, электрооптических, механооптических эффектов.