Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн (варианты) и устройство для его осуществления

Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн (варианты) и устройство для его осуществления

Реферат

 

Способ и устройство используется в нелинейной интегральной и волоконной оптике. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн осуществляется с использованием туннельно связанных нелинейных оптических волноводов, обладающих кубичной и/или квадратичной нелинейностью, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, и включает ввод оптического излучения с длиной волны одно- и/или двухфотонного экситонного резонанса полупроводниковой структуры и с интенсивностью выше пороговой по крайней мере в один нелинейный волновод и разделение и/или выделение излучений путем вывода излучений из различных волноводов и/или посредством разделителя, причем при вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, и/или фазы, и/или длины волны, и/или поляризации вводимого оптического излучения, или внешнего электрического или магнитного поля, приложенного к нелинейному волноводу, при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток. Устройство содержит два туннельно связанных нелинейных оптических волновода и по крайней мере один оптический элемент ввода и/или вывода, расположенный соответственно на входе и/или выходе по крайней мере одного нелинейного волновода. Слоистая полупроводниковая структура волновода снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, соединенным с источником тока. Изобретение позволяет снизить пороговую и критическую интенсивности вводимого излучения, при которых достигаются высокие дифференциальные коэффициенты усиления, и повысить глубину (контраст) переключения и модуляции и величину дифференциального коэффициента усиления. Расширена область применения. 3 с. и 62 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, а точнее к области оптических переключателей, модуляторов и оптических транзисторов, и может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи, в оптических логических схемах и в других областях, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция и усиление излучения.

Известны способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн и устройство для его реализации (патент СССР N 1152397, кл. G 02 B 1/37, приоритет 22.09.82, публикация 15.12.88.). Способ заключается в введении излучений сигнала и накачки в два туннельно связанных оптических волновода (ТСОВ), обладающих кубично-нелинейной восприимчивостью. Переключение или модуляция сигнального излучения переменной интенсивности достигается за счет изменения показателя преломления материала волноводов. Недостатком данного способа является то, что он не позволяет сочетать большой нелинейный коэффициент волноводов с низкими оптическими потерями излучения в волноводах и высокой эффективностью ввода излучения в волноводы. Кроме того, область применения данного способа ограничена, т.к. модуляция сигнального излучения может производиться только по интенсивности.

Устройство, реализующее данный способ, выполнено в виде двух ТСОВ, обладающих кубично-нелинейной восприимчивостью. Помимо отмеченных выше недостатков, такое устройство вносит потери, обусловленные отсутствием коллимирующей оптики на входе и выходе.

Известны способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн и оптическое переключающее устройство (R.Jin, C.L.Chuang, H.M.Gibbs, S.W.Kohh, J.N.Polky, G.A.Pubans "Picosecond all-optical switching in singl-mode GaAs/AIGaAs striploaded nonlinear directional couplers", Appl. Phys. Lett., 53 (19), 1977, p.1791-1792). Способ заключается в переключении (или модуляции) излучений, вводимых в два ТСОВ, выполненных в виде слоистых полупроводниковых структур типа MQW (multiple quantum well) с чередующимися слоями. Переключение или модуляция достигается за счет нелинейного оптического эффекта, заключающегося в изменении показателя преломления по крайней мере одного волновода при изменении интенсивности излучения, вводимого в волноводы. Длина волны излучений выбираются близкой к длине волны экситонного резонанса для обеспечения максимального кубично-нелинейного коэффициента волноводов. В этом способе пропускание волноводов на рабочей длине волны составляет 1%, что обусловлено максимальным коэффициентом поглощения материала волновода на длине волны экситонного резонанса. Малое пропускание и модуляция излучения только по интенсивности ограничивает область применения способа.

Устройство, реализующее данный способ, включает два ТСОВ, выполненных в виде слоистых полупроводниковых структур типа MQW с чередующимися слоями GaAs/AIGaAs. Помимо отмеченных выше недостатков, такое переключающее устройство вносит потери, обусловленные отсутствием коллимирующей оптики на входе и выходе.

Технический результат изобретения выражается в снижении пороговой и критической интенсивностей вводимого излучения, при которых достигаются высокие дифференциальные коэффициенты усиления и повышении глубины (контраста) переключения и модуляции и величины дифференциального коэффициента усиления. Кроме того, достигается расширение области применения способа и устройства.

В первом варианте способа поставленная задача решается тем, что в способе переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемом с использованием нелинейных ТСОВ, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями (т. е. слоистой полупроводниковой квантоворазмерной структуры), содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающем ввод оптического излучения по крайней мере в один нелинейный волновод, и вывод излучений, используют волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, при вводе оптического излучения с интенсивностью выше пороговой в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, и/или длины волны, или поляризации вводимого оптического излучения, или внешнего электрического или магнитного поля, приложенного по крайней мере к одному нелинейному волноводу, при этом длину волны излучения выбирают из условия, 0,5_r 1,5_r, где _r - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, а при выводе излучений осуществляют разделение и/или выделение излучений путем вывода излучений из различных волноводов и/или посредством разделителя, при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток.

Для увеличения дифференциального коэффициента усиления и обеспечения линейности усиления в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,5 I_м до 1,5 I_м, где l_м - критическая интенсивность.

В частности, в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,9 l_м до 1,1 l_м.

При этом, в частности в случае преобразования частот в квадратично нелинейных волноводах или для избавления от паразитных мод, разделяют излучения различных поляризаций и/или различных длин волн и/или различных мод или выделяют излучение по крайней мере одной поляризации, и/или длины волны, и/или моды посредством разделителя (например, поляризатора, дисперсионного элемента, частотного фильтра, периодической структуры).

В частном случае используют излучение линейной, или циркулярной, или эллиптической поляризации.

Как правило, используют излучение полупроводникового лазера с регулируемой и/или стабилизируемой длиной волны, причем длину волны регулируют и/или стабилизируют изменением и/или стабилизацией температуры полупроводниковой структуры лазера.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный волновод и/или после прохождения им волновода излучения фокусируют и/или коллимируют с помощью цилиндрических линз и/или граданов либо ввод излучения по крайней мере в один волновод и/или вывод излучений осуществляют посредством входного и/или по крайней мере одного выходного оптического волновода с выполненной на его входном и/или выходном торце линзы.

Для обеспечения модуляции оптического сигнала электрическим током на основе эффекта Фарадея входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускают переменный электрический ток, модулирующий поляризацию излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) электрический ток пропускают через волноводы в заданные интервалы времени.

Для снижения пороговой интенсивности излучения (за счет сближения длин волн излучения и экситонного резонанса полупроводниковой структуры) и устранения влияния внешних температурных воздействий регулируют температуру полупроводниковой MQW-структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода для регулирования длины волны экситонного резонанса полупроводниковой MQW-структуры и/или стабилизируют температуру этой полупроводниковой MQW-структуры.

В частном случае регулируют и/или стабилизируют температуру полупроводниковых MQW-структур с помощью элемента Пельтье, снабженного контроллером и/или стабилизатором температуры.

Для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов и других оптических элементов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, а также для устранения влияния отраженного излучения на нелинейные волноводы, перед входом волноводов и/или на их выходе установлен оптический изолятор.

Во втором варианте способа поставленная задача решается тем, что в способе переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемом с использованием ТСОВ, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающий ввод оптического сигнального излучения по крайней мере в один из нелинейных волноводов и оптического излучения накачки по крайней мере в один нелинейный волновод, и вывод излучений, используют волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, интенсивность излучения накачки выбирают выше пороговой, при вводе сигнального излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение во времени интенсивности, или фазы, или длины волны, или поляризации сигнального излучения, и/или фазы излучения накачки, или изменение во времени интенсивностей, или поляризацией излучения накачки и сигнального излучения, при этом длину волны излучения накачки и/или сигнального излучения выбирают из 0,5_{r r} 1,5_r, где _r - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, а при выводе излучений осуществляют разделение и/или выделение излучений путем вывода из различных волноводов и/или посредством разделителя, осуществляют при этом через волноводы в поперечном направлении пропускают электрический ток.

Для увеличения дифференциального коэффициента усиления и обеспечения линейности усиления в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения накачки выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,5 I_м до 1,5 I_м, где - I _mкритическая интенсивность.

В частности, в случае кубично-нелинейных ТСОВ при вводе излучения накачки выбирают его интенсивность в диапазоне от 0,9 I_м до 1,1 I_м.

Для осуществления переключения или модуляции в случае двух или более сигнальных излучений в режиме логических операций И, ИЛИ одновременно с вводом сигнального излучения осуществляют ввод еще по крайней мере одного сигнального излучения в этот же или в другой нелинейный волновод, причем у всех сигнальных излучений переменными являются одни и те же параметры.

При использовании излучений различных поляризаций или длин волн, или в случае преобразования частот в квадратично нелинейных волноводах, или для избавления от паразитных мод посредством разделителя (например, поляризатора, дисперсионного элемента, частотного фильтра) разделяют излучения различных поляризаций и/или различных длин волн и/или различных мод или выделяют излучение по крайней мере одной поляризации и/или длины волны и/или моды.

Как правило, интенсивность излучения накачки по крайней мере на порядок больше интенсивности сигнального излучения.

В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение с интенсивностями, отличающимися от их среднего геометрического значения не более чем на порядок.

Как правило, используют излучение накачки полупроводникового лазера с регулируемой и/или стабилизируемой длиной волны, причем в частном случае длину волны регулируют и/или стабилизируют изменением и/или стабилизацией температуры полупроводниковой структуры лазера.

В различных частных случаях реализации способа можно использовать излучение накачки и сигнальное излучение с одинаковой поляризацией и/или одинаковой длиной волны.

В частных случаях используют излучение накачки и сигнальное излучение с различной линейной поляризацией, в частности, линейной взаимно ортогональной поляризацией; противоположных циркулярных поляризаций; различной эллиптической поляризации, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных поляризаций разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение различных длин волн, при этом на выходе нелинейных волноводов излучения различных длин волн разделяются или по крайней мере одно из них выделяется посредством разделителя.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучений в нелинейный волновод и/или после прохождения ими волноводов излучения фокусируют и/или коллимируют цилиндрическими линзами и/или граданами. Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный волновод и/или после прохождения им волновода ввод излучений в нелинейные волноводы и/или вывод излучений из волноводов осуществляют посредством по крайней мере одного входного и/или по крайней мере одного выходного оптического волновода, которые устанавливают с помощью юстировки по люминесцентному излучению по крайней мере одного нелинейного волновода при пропускании через него электрического тока.

В частности, на входных и/или выходных торцах входных и/или выходных оптических волноводов выполнены линзы.

Для обеспечения модуляции оптического сигнала электрическим током на основе эффекта Фарадея по крайней мере один входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) электрический ток пропускают через полупроводниковую структуру в заданные интервалы времени.

Для снижения пороговой интенсивности излучения (за счет сближения длин волн излучения и экситонного резонанса полупроводниковой структуры) и устранения влияния внешних температурных воздействий регулируют температуру полупроводниковой MQW-структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода для регулирования длины волны экситонного резонанса полупроводниковой MQW-структуры и/или стабилизируют температуру этой полупроводниковой MQW-структуры.

В частном случае регулируют и/или стабилизируют температуру полупроводниковых MQW-структур с помощью элемента Пельтье, снабженного контроллером и/или стабилизатором температуры.

Для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов и других оптических элементов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, а также для устранения влияния отраженного излучения на нелинейные волноводы перед входом волноводов и/или на их выходе установлен оптический изолятор.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, содержащем два нелинейных ТСОВ, по крайней мере один из которых выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, устройство содержит по крайней мере один оптический элемент ввода и/или вывода, расположенный соответственно на входе и/или выходе по крайней мере одного нелинейного волновода, каждая слоистая полупроводниковая структура снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, соединенными с источником тока, причем элементы ввода и/или вывода и нелинейные волноводы выполнены в виде единого модуля, при этом элементы ввода и/или вывода установлены относительно по крайней мере одного нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой их юстировкой по люминесцентному излучению полупроводниковой структуры при пропускании через нее электрического тока.

Как правило, источник тока является низкошумящим с шумами, не превышающими 0,5 мА.

Как правило, устройство для переключения и модуляции в качестве источника излучения накачки дополнительно содержит полупроводниковый лазер, соединенный с одним (нулевым) нелинейным волноводом посредством элемента ввода.

Для повышения эффективности переключения и модуляции используют полупроводниковый лазер с шириной линии, не превышающей 20 В частности, полупроводниковый лазер выполнен с внешним резонатором и/или дисперсионным элементом.

В частности, дисперсионный элемент выполнен в виде дифракционной решетки.

При этом нелинейные ТСОВ могут быть выполнены разделяющими излучения различных поляризаций и/или длин волн и/или мод на выходе устройства.

В частном случае выполнения каждая полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/Al_xGa_1-xAs, или ln_1-xGa_xAs_yP_1-y/GaAs, или Ga_xIn_1-xAs/GaAs.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений в волновод элементы ввода и/или вывода выполнены в виде объективов.

В частности, по крайней мере один объектив состоит из цилиндрической линзы и/или градана.

В другом частном случае элементы ввода и/или вывода выполнены в виде входного и/или выходных оптических волноводов, в частности, со сформированной на его входном и/или выходном торце линзой.

Для объединения сигнального излучения и излучения накачки устройство содержит смеситель излучения накачки и по крайней мере одного сигнального излучения, установленный на входе устройства.

В частном случае смеситель выполнен в виде волноводного соединителя, выходная ветвь которого является входным волноводом.

В частности, волноводный соединитель выполнен в виде по крайней мере одного Y-соединителя или направленного ответвителя.

Для обеспечения возможности модуляции оптического излучения электрическим током на основе эффекта Фарадея по крайней мере один входной волновод выполнен из магнитооптического материала и помещен в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнен в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.

В частном случае элементы ввода и/или вывода соединены с нелинейными волноводами склейкой; либо элементы ввода и/или вывода соединены с нелинейными волноводами посредством миниатюрных механических соединителей.

В частном случае разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных поляризаций и выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или направленного ответвителя, разделяющего поляризацию.

В другом частном случае разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных длин волн и выполнен в виде дисперсионного элемента, или фильтра, или направленного ответвителя.

В третьем частном случае разделитель предназначен для разделения или выделения излучений различных мод и выполнен в виде диафрагмы или волноводного разделителя мод.

Дополнительно на входе и/или выходе нелинейных волноводов могут быть установлены диафрагма и/или кварцевый кубик.

Для снижения пороговой интенсивности излучения (за счет сближения длин волн излучения и экситонного резонанса полупроводниковой структуры) и устранения влияния внешних температурных воздействий в устройство дополнительно введен элемент Пельтье, который находится в тепловом контакте с нелинейными волноводами, а полупроводниковый лазер и/или элементы Пельтье снабжены контроллерами и/или стабилизаторами температуры; или полупроводниковый лазер и/или нелинейные волноводы снабжены драйверами и/или стабилизаторами тока.

С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) источник постоянного тока снабжен быстродействующим выключателем. Для обеспечения возможности построения логических схем устройство для переключения и модуляции волн дополнительно содержит по крайней мере один модуль, аналогичный первому, причем по крайней мере один элемент ввода каждого последующего модуля оптически связан по крайней мере с одним элементом вывода предшествующего модуля.

В частном случае элементы ввода/вывода расположенных последовательно модулей выполнены в виде единых или состыкованных волноводов.

Для устранения обратного влияния излучения, отраженного от торцов волноводов, на источник излучения или иные оптические элементы, расположенные перед указанными волноводами, перед элементами ввода или после элементов вывода установлены оптические изоляторы.

В частном случае, оптические изоляторы выполнены магнитооптическими волноводными.

В частном случае оба нелинейных ТСОВ выполнены в виде единой слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображено сечение волновода, выполненное в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

На фиг.2 схематически изображены варианты устройства для оптического переключения и модуляции с объективами, выполненными в виде цилиндрической линзы и градана.

На фиг. 3 схематически изображены варианты выполнения устройства для оптического переключения и модуляции с входными и выходными волноводами.

На фиг. 4 изображено поперечное сечение одного из нелинейных оптических волноводов гребешкового типа на основе MQW-структуры, поверхность которого покрыта тонким слоем золота (показано распределение концентрации Ga и Al в направлении, перпендикулярном слоям структуры).

На фиг. 5 изображен вид сверху на один из нелинейных оптических волноводов и видны контактные пластины для закрепления электродов.

На фиг. 6 представлена зависимость коэффициента передачи мощности нулевым волноводом в случае ввода оптического излучения в один из идентичных ТСОВ (нулевой); вертикальные линии соответствуют пороговой и критической интенсивности.

На фиг. 7 схематически изображен вариант выполнения устройства для оптического переключения и модуляции, которое может выполнять роль усилителя оптических сигналов (например, ретранслятора в волоконно-оптической линии связи).

На фиг. 8 схематически изображен вариант выполнения устройства для оптического переключения и модуляции, которое может выполнять роль преобразователя фазовой модуляции в амплитудную.

Способ переключения однонаправленных распределенно-связанных волн осуществляется путем взаимодействия (обмена энергией) этих волн в нелинейных ТСОВ. При этом на вход одного волновода в одном из вариантов способа подаются сигнальное излучение и излучение накачки. Сигнальное излучение является управляющим или информационным сигналом; излучение накачки вводится в один или оба волновода с целью обеспечения нелинейного режима, т.е. достижения дифференциального коэффициента усиления интенсивности излучения, существенно отличного от единицы. Как правило, интенсивность сигнального излучения как минимум на порядок меньше интенсивности излучения накачки, однако интенсивности указанных излучений в ряде случаев могут быть соизмеримы.

Коэффициент передачи энергии из одной волны в другую зависит от разности эффективных показателей преломления этих волн (или от разности фазовых скоростей этих волн) и поэтому зависит от интенсивности излучения на входе модуля, т. к. в нелинейном волноводе используется нелинейная среда - многослойная структура, изображенная на фиг. 1, 4 и 5. В качестве нелинейной среды может использоваться и однослойная структура типа MQW (т.е. структура, содержащая два гетероперехода), которая называется также SQW (single quantum well) структурой. Для обеспечения нелинейного режима интенсивность излучения накачки должна быть не менее некоторой пороговой величины I_пор, при которой нелинейные эффекты, вызывающие описанные выше явления, существенны. Установлено, что такой пороговой величиной является интенсивность излучения накачки, при превышении которой существует хотя бы одно абсолютное значение хотя бы одного из дифференциальных коэффициентов усиления превышающее 1,1, где k = 0,1- номер волновода (нулевой или первый), I - индекс, указывающий, что интенсивность относится к излучению на выходе волновода, при этом буква l символизирует длину туннельной связи волноводов, т.е. значение интенсивности берется при координате z = I второй индекс 0 у I₀₀ и I₁₀ указывает, что интенсивность относится к излучению на входе волновода; _j символизирует одну из возможных несущих частот на входе, т.е. на вход одного или обоих волноводов могут поступать излучения как одной несущей частоты (j=1, _j = ), так и двух различных частот (например ₁ = , ₂ = , причем соотношение между и может быть различным; или _j = j, j=1,2), а также трех различных частот (j=1,2,3), четырех различных частот (j=1,2,3,4) и большего числа различных частот; p_m символизирует одну из возможных поляризаций на входе, т.е. в один или оба волновода могут вводиться излучения различных линейных, круговых или эллиптических поляризаций, при этом индекс m обозначает номер поляризации; в случае ввода излучения одной поляризации m=1, в случае ввода излучений двух поляризаций m=1,2, в случае трех и более поляризаций m=1,2,3... .

Для кубично-нелинейных ТСОВ, как правило, пропорциональна K/||, где K - коэффициент туннельной связи волноводов, а = (₀+₁)/2 - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов.

Наряду с интенсивностью можно оперировать также понятием мощности оптического излучения P, которая однозначно связана с интенсивностью: P=I/S_эфф, где S_эфф - эффективное сечение нелинейного волновода. Поэтому пороговой интенсивности I_пор соответствует пороговая мощность P_пор, а критической интенсивности I_м соответствует критическая мощность излучения P_М.

Расчеты и эксперименты показали, что при изменении интенсивности сигнального излучения и достижении значений мощности накачки выше порогового происходит переключение излучения из одного волновода в другой (т.е. резкое изменение соотношения между интенсивностями различных волн на выходе ТСОВ), и на выходе появляется усиленный информационный сигнал. За счет указанного изменения соотношения интенсивностей волн можно также осуществлять модуляцию, т.е. вносить информацию в когерентную волну.

При этом излучение накачки и сигнальное излучение может быть как одинаковой частоты и поляризации, так и различных частот или различаться поляризацией. Кроме того, как сигнальное излучение, так и излучение накачки может быть в виде солитонов.

В кубично-нелинейных волноводах при изменении интенсивности сигнального излучения, частота которого отличается от частоты излучения накачки, так же как и в случае равенства частот, может происходить переключение излучения из одного волновода в другой. Таким образом можно осуществить резкий переброс мощного излучения заданной частоты на выходе нелинейных ТСОВ из одного волновода в другой малым изменением мощности слабого излучения другой частоты. При этом на выходе волноводов потребуется фильтрация излучения для выделения усиленного управляющего или информационного сигнала на частоте накачки.

В квадратично-нелинейной среде при определенных условиях малое изменение интенсивности сигнала вызывает резкое переключение излучения на выходе с одной частоты на другую. Как правило, излучение накачки в этом случае имеет частоту или 2 при частоте сигнального излучения соответственно 2 или . В квадратично-нелинейных ТСОВ при определенных условиях, так же как и в кубично-нелинейных, возможно также переключение излучения на выходе из одного волновода в другой ТСОВ.

Быстродействие устройств, реализующих способ переключения или модуляции в квадратично-нелинейных средах, существенно выше, чем в кубично-нелинейных, поскольку время релаксации квадратичной нелинейности меньше.

Синхронизм между волнами на основной и удвоенной частотах может достигаться за счет использования синхронизма связанных волн в ТСОВ (А.А.Майер "Синхронизм "связанных мод" и синхронное нелинейное взаимодействие волн в связанных волноводах", "Квантовая электроника", том 7, N 7, 1980г., с. 1596-1598) и частично за счет двулучепреломления каждого волновода.

Для увеличения двулучепреломления слоистой структуры с целью повышения эффективности преобразования частоты и переключения за счет улучшения фазового согласования волн на различных частотах и 2 можно использовать слоистую структуру GaAs/AIAs; при этом для увеличения двулучепреломления структуры можно AIAs преобразовать в оксид со значительно меньшим показателем преломления.

Синхронизм может обеспечиваться путем периодической модуляции нелинейности и/или эффективного показателя преломления волновода.

Можно применять электрооптическую или механическую настройку в синхронизм.

При вводе излучений накачки и сигнала разных частот или поляризаций потребуется устройство для разделения излучений (выделение усиленного сигнала) на выходе волноводов.

При переключении волн различных частот, или различных циркулярных поляризаций, или ортогональных поляризаций коэффициент усиления не зависит от фазы сигнала на входе, таким образом можно устранить паразитное влияние фазы сигнала.

Помимо изменения интенсивности сигнала на входе переключение и модуляция могут осуществляться изменением частоты или изменением поляризации сигнала, поскольку коэффициент передачи энергии из одной волны в другую зависит от коэффициента туннельной связи волноводов, который различен для волн различных частот и различных поляризаций.

Например, изменение коэффициента туннельной связи при изменении входной поляризации излучения обусловлено тем, что при изменении угла между вектором поля и плоскостью слоев полупроводникой MQW-структуры, т.е. осью эллипса показателя преломления в поперечном сечении волновода ("быстрой" или "медленной" осью) происходит изменение показателей преломления волноводов, что и приводит к изменению коэффициента туннельной связи. Переключение и модуляция оптического излучения могут достигаться за счет изменения разности показателей преломления волноводов путем изменения внешнего электрического или магнитного поля, приложенного по крайней мере к одному нелинейному волноводу.

Переключать и модулировать оптическое излучение можно также модуляцией вектора поляризации под действием электрического тока. Для этого используется эффект Фарадея. При пропускании через соленоид, окружающий входной волновод, переменного электрического тока, изменение которого соответствует полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому), изменяется ориентация вектора электрического поля относительно слоев MQW-структуры на выходе ячейки Фарадея и соответственно на входе MQW-структуры, что приводит к изменению коэффициента туннельной связи между волноводами.

Изменять длину волны излучения лазера можно, меняя температуру полупроводниковой структуры лазера с помощью изменения тока через элемент Пельтье, который находится в тепловом контакте с полупроводниковой структурой лазера. Таким образом, можно точно настраиваться на длину волны экситонного резонанса, тем самым достигая рекордно высоких нелинейных коэффициентов и, следовательно, рекордно малых пороговых мощностей.

Переключение излучения достигается также изменением фазы излучения сигнала на входе волноводов (или фазы излучения накачки). При этом интенсивность сигнала может не меняться. Сильное влияние фазы на перераспределение мощности между волноводами обусловлено интерференцией излучений сигнала и накачки на входе и зависимостью результирующей интенсивности от входной разности фаз сигнала и накачки.

Переключение или модуляция сигнала происходят независимо от того, в какой волновод подается сигнал, а в какой - накачка, а также от количества сигнальных излучений и излучений накачки, подаваемых в волноводы. Это иллюстрируется различными вариантами ввода излучений, схематично изображенными на фиг.3 (эти варианты не являются исчерпывающими).

В другом варианте способа переключение и модуляция осуществляется малой модуляцией одного пучка достаточно мощного излучения (накачки). В этом случае модулирующим параметром является интенсивность излучения, или частота излучения, или его поляризация. В случае изменения интенсивности переключение достигается за счет изменения эффективного показателя преломления волны в волноводе; в случае модуляции частоты или поляризации излучения - за счет изменения коэффициента туннельной связи волноводов.

Хотя способ может иметь применение при превышении пороговой интенсивности, наибольший интерес он представляет вблизи критической интенсивности, соответствующей так называемой средней точке самопереключения M. Критическую интенсивность можно определить как интенсивность излучения, вблизи которой достигаются максимальный дифференциальный коэффициент усиления и линейность усиления (усиление происходит без искажения формы сигнала на выходе). В простейшем случае ввода излучения в один из идентичных кубично-нелинейных ТСОВ критическая интенсивность I