Способ переключения сигнала в туннельно-связанных оптических волноводах

Способ переключения сигнала в туннельно-связанных оптических волноводах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СИГНАЛА В ТУННЕЛЬНО-СВЯЗАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ , основанный на изменении показателя прелоьтения вещества, при осуществлении которого оптический сиг , нал вводят в волновод, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью умень: тения времени переключения, в один из волноводов, выполненный из материала , обладающего кубично-нелинейиой восприимчивостьн), вводят сигнал накачки с интенсивностью, превьш4ющей пороговое значение 1по ас/;в-4, где с скорость света; е величина кубично-нелинейной восприимчивости материала волновода; а - коэффициент, лежащий в пределах 10 а 10-, и одновременно с ним вводят в один из волноводов оптический управляющий сигнал той же частоты, что и у сигнала накачки, максимальная интенсивi ность которого,-по крайней мере, на порядок меньше интенсивности сигнала Л накачки, и интенсивность управляющего сигнала изменяют от нуля до максимального значения. сд го со со Фиг.7

(19) (11) (51)4 G 02 F 1/37

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

l.„,=àñ/ e 4р, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 } 3492575/24-25 (22} 22.09.82 (46) 15.12. 88. Бюл, У 46 (71}. Физический институт им. П.Н.Лебедева (») А. А.Майер (53) 535.8(088.8) (56) Введение в интегральную оптику.

Под ред. М.Варноски, — М.: Мир, 1977 ° с. 220.

Оптические волноводы. Д.Маркузе.—

М.: Мир, 1974, с. 524. (.54)(57) СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СИГНАЛА

В ТУННЕЛЬНО-СВЯЗАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ, основанный на изменении показателя преломления вещества, при. осуществлении которого оптический сиг; нал вводят в волновод, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью умень шения времени переключения, в один из волноводов, выполненный из материала, обладающего кубично-нелинейной восприимчивостью, вводят сигнал накачки с интенсивностью, превьппйощей пороговое значение где с — скорость света;

8 - величина кубично-нелинейной. восприимчивости материала волновода; а - коэффициент, лежащий в пределах 10 -(.а <10 и одновременно с ним вводят в один из волноводов оптический управляющий сигнал той же частоты, что и у сигнала накачки, максимальная интенсивность которого,- о крайней мере ° на Е порядок меньше интенсивности сигнала накачки, и интенсивность управляющего сигнала изменяют от нуля до максимального значения.

1 1142397 2

Изобретение относится к области нелинейной интегральной оптики и может быть использовано для модуляции и усиления света, создания оптических транзисторов, логических и вычислительнык устройств, Известен способ переключения сигнала в туннельно-связывающих оптических волноводах(согласно первому источнику) путем электрического управления коэффициентом связи между волноводами. Коэффициент связи изменяют, создавая электрическую разность потенциалов на участке между двумя волноводами, изменяя тем самым показатель преломления этого участка, .выполненного из электрооптического материала, за счет электрооптического эффекта. 20

Недостатком этого способа является высокая необходимая электрическая мощность сигнала управления и низкое быстродействие переключения света.

Наиболее близким к предложенному 25 является способ переключения сигнала туннельно-связанных волноводов за сче изменения показателя преломления вещества, при осуществлении которого оптический сигнал вводят в волновод.

При этом создают разность. потенциалов в самих волноводах так,. что краевые электрические поля в волноводах име ют противоположные знаки. 3а счет этого разность эффективных показателей преломления волноводов, а следовательно, и коэффициент передачи энер- . гии света из одного волновода в другой зависят от величины управляющего электрического сигнала. 10

Такой способ позволяет осуществить переключение света при меньшей потребляемой электрической мощности, чем предыдущий.

Известные способы переключения света не позволяют осуществить переключение за времена существенно меньшие 1 нс. . Другим недостатком указанных способов является их сложность, связанная. с необходимостью подачи управляющего электрического импульса напряжения малой длительности.

Целью изобретения является уменьшение времени переключения света в туннельно-связанных волноводах.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе переключения . сигнала в туннельно-связанных оптических волноводах, основанный на из" менении показателя преломления вещества, при осуществлении которого оптический сигнал вводят в волновод, в один из волноводов, выполненный из материала, обладающего кубично-нелинейной восприимчивостью, например

GaAq вводят сигнал накачки с интенсивйостью, превышающей пороговое значение

Х„, =ас/е. 4Р, где с — скорость света;

6 — величина кубично-нелинейной (керровской) восприимчивости; величины Т, с, е выражены в единицах СГСЕ; а - коэффициент, зависящий от параметров конкретного устройства и лежащий в пределах

10 c a 10 и одновременно с ним вводят в один из волноводов управляющий оптический:. сигнал той же частоты, что и. у сигнала накачки, максимальная интенсив1 ность которого, по крайней мере, на порядок меньше интенсивности сигнала накачки, и интенсивность управляющего оптйнеского сигнала изменяют от нуля до максимального значения.

На фиг. 1 показана конструкция туннельно-связанных оптических полос-ковых волноводов; на фиг. 2 и 3 пред-, ставлены зависимости модуля амплиту ды на выходе единичного .волновода от модуля амплитуды на входе нулевого волновода (при нулевой амдпитуде на входе единичного волновода), на фиг. 4 — схемы переключателей света при оптических транзисторах не авязанншк волноводах; на фиг. 5 - схемы переключателей света со сниженной энергией переключения, которые также являются оптическими бистабильнымн элементами на фиг; 6 . — зависимость модуля амплитуды иа входе нулевого волиовода от амплитуды волны на входе всей системы.

Представим математически передачу света туннельно-связанными одномодо-. выми оптическими волноводами, по крайней мере, один as которых обладает кубичной восприимчивостью.

Полное электрическое поле Е(х,у, z,t) в системе двух туннельно-свя" занных оптических волноводов в стационарном случае можно приближенно представись в виде

1142397 — Приведем результат численного ре "р с („ t.)=e (A (z)g („,) шения системы управлений на ЭВМ. На

C1) фиг. 2 и 3 по оси абсцисс отложен мо5 дуль амплитуды волны на входе волно+е(1А11()Е1 (х.1У)е . +компл ° р - вода А(0)=А„=1Арр1(на входе единичного волновода сигнал отсутствует), где а ° — эффективные показатели пре. Р4, 1 фф ломления (ЭПП) нулевого и а по оси ординат — модуль амплитуды волны на входе единичного волновода. единичного волноводов;

Расчет проводится при параметрах 1=

А д(к) — комплексные медленно меняю =1 с К„=К„=6-10 4, 3"-О, =1,06 щиеся амплитуды волн в этих волноводах;

Е (х.у)- распределения полей по по- -, 8<=0; pII«« фиг 3 Г

0,1 1 перечному сечению волноводов Вначале интенсивность на выходе (согласно первому источнику);15 линейно Увеличивается с ростом интене, — орты- поляризации, сивности на входе, затем зависимость ер

В ал нейп«ем для npoстоть«рассмат становится резко «елиней ой: изме е=" риваем ТЕ-волны и считаем е =е,. ние интенсивности на выходе в сотни

П д в ние (11 в уравне- и тысЯчи Раз пРевышает изменение инМа св е ««««а и п р««водя процедуру 20 ен сивно с и Bo J«Hb« на вхоД е . ПоЯвлЯют— укорочения, получим систему уравнеся участки с положительной и отрицаний для амплитуд тельной крутизной, Ш

Можно выделить од«««« из таких уча idzc пар +« A g /А / lA стков, задав определенную амплитуду

>" 6z - (2 ) накачки А, и подать на вход нулевого волновода одновременно с накачкой р /А / А малый сигнал с амплитудой А (фиг.4,а) щ -«« -, z (2 g) Сигнал усиливается (фиг. 4 б) по мощности в сотни и тысячи раз. Так, при

ГДЕ а1 = I«,- l«, o «"1=Рр > K 1рн Кр ЛИНЕЙ« А „е ные коэффициенты связи A=1350 (СГСЭ) (фиг. 2)- — — — "-:==16 3.

Ф О1А р

Ер,(x„.у) — РаспределениЯ кУбич ««ос Всли при таких значениях A. амплитуда пРиимчивостей по попеРечно сигнала А увеличивается на входе от мУ сечению волноводов. 0 до 10 соответствующее изменение

Система ypasHe H«« (2) при K,à 35 мощности сигнальной волны4И « 1 Вт), имеет два интеграла, то усиление по мощности (глубина мо1 2 - (3 ) ., дуляции) составит -« 1А,е l d lA l а550 раз, а для меньших изменений . с =К„у, р„соя - Ы l«, 1 + 8, — +

A < (« А -1, d N«0,1 Вт) усиление по4 40 мощности еще больше (>10 раз) . Та,.О РФ ким образом, схема (фиг. 4,а) работа4 (3рб? ет как оптический переключатель или оптический транзистор. где введены модули (p) и фазы (1«) ам- В другой схеме переключателя

: плитуд, i@6,.(фиг. 4,в).накачка подается на один с++ фиксированном, достаточно большом

С помощью этих интегралов решение значении интенсивности накачки (А1«р= уравнений (2) выражается через эллип- ;-1500), малые изменения интенсивностические функции. Taft, при др=0 50 ти сигнальной волны вызывают в сотни

8,ФО, .ol 0 1Ы1 1 Е, p«/2ð и начальных раз большие изменения сигнала на выусловиях р,(z=0)= Ä, 41,(z=0)=0 имеем ходе волноводов (фиг. 4,г).

Наибольшие коэффициенты усиления

6Кo1 у = — — — sn(— -- Г), Г 2 1«рс (3,в) (глубину модуляции) можно получить в

55 схеме. (фиг. 4,д), где согласно расгде Г (4-211o,к„р1 81p } 4, =(к +o(p,11«) чету глубина модуляции достигает

В линейном случае. (41,) формула - Для снижения пороговой энергии (Зрв) переходит в известное решение. . переключения переключателей, а также где R — коэффициент передачи смесителя 3 энергии волны, поданной с выхода волновода ll;

, - коэффициент, учитывающий ос- 20 лабление волны А,, при переходе из волновода 1 в волновод 4 и небольшие потери света в этом волноводе;

Т вЂ” коэффициент передачи смесите- 25 ля 3 волны A поданной на вход всей систеьы; коэффициент 6 учитывает потери свефо та при переходе из волновода 5 в нулевой волно вод 2; R, Г, Д <1 .

В схеме (фиг. 5,б) волна с выхода нулевого волновода 2 полностью (посредством волновода) или частично (посредством волновода и планарного ответвителя — не показан) подается на вход этого же волновода, а граничные условия имеют вид

Аоо (6о Аоф+АЙ)(,4„A о=0, (4 б)

Где коэффициент 6 и о учитывают по 40 терн энергии при переходе волны соответственно из нулевого волновода 2 в волновод 6 и из волновода 5 в нулевой волновод 2. Коэффициент б„учитывает также возможное ответвление ча- 45 сти энергии в планарном ответвителе (не показан).

В схемах (фиг. 5,в,г) волна с выхода волновода 1 полностью (посредством волновада) или частично (посредством волновода и планарного ответвителя) подается на вход этого же волновода, и граничные условия имеют вид (4,:в)

А о А д6ь Aîo где коэффициент 6 учитывает потери энергии при передаче волны с выхода единичного волновода 1 на вход нуле4 вого волновода 2.

5 11 5.239 для достижения бистабильности требу ется обратная связь. В схеме (фиг.5,а) волна с выхода волновода 1 подается на вход нулевого волновода 2 посредством интегрально-оптических волно5 водов (не показан) и смесителя 3, в качестве которого мощно испольэовать элемент связи между волноводами, (согласно второму источнику).

Если длины волноводов кратны целому числу длин волн, то граничные условия в схеме (фиг. 5,6) имеют вид

7 б

Смодулируем схемы (фиг. 4,а и б) на ЭВМ. Для этого будем считать амплитуду А действительной, что всегда можно сделать, одинаково сместив фазу всех волн. Действительная и мнимая части амплитуды А — функции от Аоо (5) которые находятся путем численного решения системы уравнений (2).

Подставим выражейие (5) в выражения (4,а) и (4,б), получим соответственно (б,а) (6,б) где

Ф (А оо ) — Aîî 6 6, БА (оо )+

+1А„.(А„)/т ", (7,а) Фб(А .) !Аооб 6 @Ао((Ао )

Бистабипьность схем (фиг. 5,а и б) означает наличие у кривых Ф(А„) максимума и участков с отрицательной крутизной, т.е.

ЗФа ЗФ 6 — — <о, — — <а (8) Аоо о Aoo

Функции (7 ) рассчитываются на ЭВМ.

Дпя большей наглядности на фиг. 6 представлены графики обратных функций, а именно ! А,,1=Ф„((Аl)= Ю,„(lAI), (9,а) ! Аоо1=ФБ (! A I) = ф(1 А J ) ° (9,б) следовательно ° при двух значениях интенсивности входного сигнала (!А1 ) интенсивность волны в системе, а значит, и на ее выходе может принимать два неравных одно другому значения, т,е. в схемах (фиг. 5,а и 5,б) возникает бистабильность.

Расчет бистабильного устройства, представленного на фиг. 5,в,г, несколько отличается от приведенного выше, и бистабильность здесь иллюстрируется на фиг.4,г.

Проверка эффекта изменения перекачки энергии в зависимости от уровня мощности в световоде подтвердила, что малые изменения интенсивности накачки (1X) приводит к резкому изменению интенсивности света (100X) на выходе обоих волноводов.

1142397

Пример I Проводят переключение света в туннельно-связанных оптических полосковых волноводах, изготовленных из ГаАз путем имплантации 5 протонов с энергией 300 кэВ. Утопленные волноводы имеют характеристики: поперечное сечение 3 к 3 мкм, разность показателей преломления между волноводами и подложкой dn 0,005. 10

Для данного примера расчетная величина коэффициента связи примерно совпадает с экспериментально измеренной величиной и составляет К = 10

= pi=3,5, параметр расстройки 1и О, à 15 нелинейные коэффициенты 0," „10 СГСЕ, Длина связи волноводов составляет

l 1 см.

На вход нулевого волновода 2 подают световой пучок накачки с длиной 20 . волны 1-"1,06 мкм и с мощностью Б, варьируемой в пределах 30 кВт N «5 кВт, от неодимового лазера, работающего в импульсном режиме. При такой мощности излучения интенсивность волны накачки в волноводе варьируется в пределах 3 Ч 0 Вт/см 4 I 6 4,5 10З Вт/см, .а величина электрического поля в волноводе составляет 3 «1О В/см «(F Х 4,7

«10» В/см и меньше величины поля про-30 боя, которая для,GaAs составляет (согласно первому источнику}. Е=5 1УВ/см;

Эксперимент показал, что при изменении мощности вводимого в нулевой волновод 2 света от значения 42 кВт до значения:43 кВт, отвечающего относительному изменению равному 2Х, мощность света на выходе единичного волновода 1 изменяется от 5 кВт до х20 кВт при относительном изменении 40 400Х, а коэффициент усиления по мощности составляет 15. Мощность света на выходе нулевого волновода 3 при этом изменяется от - 37 кВт до „ к 23 кВт при относительном изменениИ

50/.

Время переключения света составдр ет . г-nl/с 10 "c.

Пример 2. Используются те me волноводы, что и в примере 1, На вход нулевого волновода 2 подают све товой пучок накачки с мощностью

42 кВт от неодимового лазера, работа ющего в импульсном режиме. При этом небольшую часть света с относительной мощностью I Õ ответвляют посред-. ством светоделительной пластинки с коэффициентом пропускания Т 0,99 и коэффициентом отражения В 0,01 и по-. дают на вход волновода 1. При перекрывании светового луча, идущего на вход волновода 1, мощность света на выходе этого волновода изменяется от

"- 25 кВт до "5 кВт, что соответствует относительному изменению 500Х, а на выходе нулевого волновода 2 мощность света изменяется от «7 кВт до

= 37 кВт при относительном изменении

<500Х. Время переключения света так же как и в примере 1 составляет - 10 с, Использование изобретения обеспечивает снижение времени переключения ссвета по меньшей мере на порядок, дает воэможность использования туннельно-связанных оптических волноводов в качестве оптических транзисторов (фиг. 4), а при наличии обратной связи и в качестве оптических бистабильных устройств (фиг. 5), которые могут найти применение в интегральнооптичес-— ких логических и счетно-решающих устройствах, а также для лазерных -затворов.

1142397

/Arrl

1000

ЯО

ЮО

Air

ЖЮО

1Я6

ЖЮО

Фиг. Г

1142397 7>fE

IAa

° ю г-г б

1 I 52397

Юй7

Корректор К.васил1 ева

Редактор Н.Сильнягина Техред А.Кравчук:, Тираж 533 Подписное

ЮНИИПИ Государственного комитета СССР по делам.изобретений и открытий

133035, Москва, Ж-35, Раушская наб. ° д. 4/5

:. аказ 6494

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4