Способ переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения (варианты) и устройство для его осуществления

Способ переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения (варианты) и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение используется в нелинейной интегральной и волоконной оптике, оптических транзисторах. Способ переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения осуществляется с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой полупроводниковой структуры типа MQW, и заключается в том, что в нелинейный волновод вводят поляризованное линейно, с ориентацией вектора электрического поля оптического излучения под углом 10^o < < 80^o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода оптическое излучение, имеющее мощность выше пороговой, и разделяют в волны ортогональных поляризаций на выходе системы. При вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение мощности или поляризации оптического излучения на входе нелинейного волновода. Через нелинейный волновод пропускают электрический ток и устанавливают и стабилизируют температуру нелинейного волновода, по крайней мере один из торцов которого просветлен. Устройство для переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения содержит нелинейный оптический волновод и элементы ввода/вывода излучения, выполненные в виде входного и выходного волноводов или цилиндрических линз и граданов. Снижена мощность накачки на входе системы. Повышен дифференциальный коэффициент усиления. Обеспечены компактность и надежность устройства. 3 с. и 66 з.п.ф-лы, 17 ил.

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

Известны способ и устройство переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) [1]. Способ заключается в переключении или модуляции излучений, распространяющихся в виде различных волноводных мод в нелинейном оптическом волноводе, выполненном в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями. Переключение или модуляция достигается за счет изменения коэффициента передачи энергии из одной волны в ортогональную в нелинейной среде при изменении интенсивности излучения на входе волновода. Длины волн излучений выбираются близкими к длине волны экситонного резонанса _r для обеспечения максимального кубично-нелинейного коэффициента волноводов. В указанном способе пропускание нелинейного оптического волновода на рабочей длине волны мало, что обусловлено максимальным коэффициентом поглощения материала волновода на длине волны экситонного резонанса. По экспериментальным данным, приведенным в [2], пропускание нелинейного оптического волновода составляет 1%. Малое пропускание нелинейного оптического волновода и отсутствие возможности управления процессом переключения ограничивает область применения способа. Недостатком является также невозможность переключения и модуляции при изменении различных параметров входного излучения - поляризации, фазы, длины волны.

Устройство, реализующее указанный способ, включает нелинейный волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями. На входе и выходе волновода установлены микрообъективы. Помимо отмеченных выше недостатков, такой оптический переключатель вносит потери, обусловленные недостатками коллимирующей оптики на входе и выходе, не учитывающей форму сечения волновода. Недостатками являются также сложность установки и закрепления микрообъективов относительно волновода и недостаточная компактность устройства.

Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству является способ переключения ОРСВ и устройство для его осуществления [3]. Способ включает ввод оптического излучения накачки и сигнального излучения различных поляризаций в нелинейный оптический волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, с возможностью распространения в нем ОРСВ различных (ортогональных) поляризаций. Переключение осуществляется за счет взаимодействия ОРСВ различных (ортогональных) поляризаций (TE- и TM-волн) в кубично-нелинейной среде. При использовании данного способа либо возникают большие потери в случае близости длин волн излучений к длине волны экситонного резонанса, либо, при выборе другой длины волны, возрастает величина пороговой интенсивности излучения. Недостатком является также невозможность переключения и модуляции при изменении различных параметров входного излучения, т.е. ограниченность области применения способа.

Устройство для осуществления способа содержит нелинейный оптический волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, например, GaAs/Al_xGa_1-xAs, и расположенный на выходе волновода оптический элемент для разделения ОРСВ.

Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности управления процессом переключения, ограниченность области применения и большие потери, обусловленные отсутствием компактной и адекватной сечению волновода фокусирующей и коллимирующей оптики на входе и выходе.

Технической задачей изобретения является резкое снижение мощности накачки на входе системы с одновременным повышением дифференциального коэффициента усиления (т. е. чувствительности устройств) и глубины переключения, а также достижение компактности и надежности устройства. Кроме того, технической задачей изобретения является обеспечение возможности управления процессом переключения и расширение области применения.

В первом варианте поставленная задача решается тем, что в способе переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения, осуществляемом с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой квантоворазмерной полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем нелинейный оптический волновод выполнен с возможностью распространения в нем по крайней мере двух однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций, включающем ввод поляризованного оптического излучения в нелинейный волновод, взаимодействие однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций в нелинейном оптическом волноводе и разделение волн ортогональных поляризаций на выходе системы, оптическое излучение поляризовано линейно, с ориентацией вектора электрического поля оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, под углом 10^o< <80 ^{к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, или эллиптически, с ориентацией оси эллипса поляризации под углом 10o< <80 к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, устанавливают среднюю мощность вводимого в нелинейный оптический волновод оптического излучения на входе волновода выше пороговой из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления и/или заданного соотношения мощностей и/или разности фаз связанных волн на выходе и стабилизируют среднюю мощность, а при вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение мощности или поляризации оптического излучения на входе нелинейного оптического волновода, при этом длину волны излучения выбирают из условия 0,8_r< < 1,2_r, где _r - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного оптического волновода, имеющего длину не меньшую длины, необходимой для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, причем длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, не превосходит длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций уменьшается в 20 раз, при этом через нелинейный оптический волновод пропускают электрический ток, причем температуру нелинейного оптического волновода устанавливают из условия обеспечения заданной величины пороговой мощности, и/или критической мощности, и/или дифференциального коэффициента усиления, и/или соотношения мощностей связанных волн ортогональных поляризаций, и/или разности фаз между ними на выходе нелинейного оптического волновода, и стабилизируют температуру нелинейного оптического волновода, по крайней мере один из торцов которого просветлен.}

В частности, вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 40^o< <50 ^{к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.}

Эффективное переключение достигается в случае, когда вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 45^o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.

Как правило, электрический ток пропускают в направлении, перпендикулярном слоям полупроводниковой структуры типа MQW.

Как правило, пропускают постоянный электрический ток, разброс значений которого от среднего по времени значения не превышает 0,1 мА.

Как правило, электрический ток, пропускаемый через нелинейный оптический волновод, от 0,5 мА до 10 мА.

Разность фаз между однонаправленными распределенно-связанными волнами ортогональных поляризаций устанавливают из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления, и/или заданного соотношения мощностей, и/или разности фаз ОРСВ на выходе нелинейного оптического волновода.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный оптический волновод излучение фокусируют и/или после прохождения им волновода излучение коллимируют с помощью цилиндрической линзы и/или градана, при этом поверхности цилиндрических линз и/или граданов могут быть просветлены; либо ввод излучения в нелинейный оптический волновод и/или вывод излучений из нелинейного оптического волновода осуществляют посредством входного и/или выходного оптического волновода, при этом на входном и/или выходном торце входного и/или выходного оптического волновода может быть выполнена параболическая или цилиндрическая или коническая линза и/или установлен градан, а входные и/или выходные торцы волноводов и/или граданов просветлены.

В частном случае используют оптическое излучение в виде импульсов, например, в виде солитонов.

Во втором варианте способа переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения, осуществляемого с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой квантоворазмерной полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем нелинейный оптический волновод выполнен с возможностью распространения в нем по крайней мере двух однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций, и включающего ввод поляризованного оптического сигнального излучения и поляризованного оптического излучения накачки с мощностью выше пороговой в нелинейный оптический волновод, взаимодействие однонаправленных распределенно-связанных волн различных поляризаций в нелинейном волноводе и разделение волн ортогональных поляризаций на выходе системы, оптическое излучение накачки и/или сигнальное излучение поляризовано линейно, с ориентацией вектора электрического поля оптического излучения накачки и/или сигнального излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод под углом 10^o< <80 ^{к "быстрой" и/или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, или эллиптически, с ориентацией оси эллипса поляризации под углом 10o< <80 к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, устанавливают мощность вводимого в нелинейный оптический волновод оптического излучения накачки на входе нелинейного оптического волновода выше пороговой из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления и/или заданного соотношения мощностей и/или разности фаз связанных волн на выходе и стабилизируют мощность накачки, а при вводе сигнального излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение мощности, или поляризации, или фазы сигнального излучения, или разности фаз сигнального излучения и излучения накачки на входе нелинейного оптического волновода, при этом длину волны излучения накачки и/или сигнального излучения выбирают из условия 0,8_r< < 1,2_r, где _r - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного оптического волновода, имеющего длину не меньшую длины, необходимой для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, причем длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, не превосходит длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций уменьшается в 20 раз, при этом через нелинейный оптический волновод пропускают электрический ток, причем температуру нелинейного оптического волновода устанавливают из условия обеспечения заданной величины пороговой мощности, и/или критической мощности, и/или дифференциального коэффициента усиления, и/или соотношения мощностей связанных волн, и/или разности фаз между ними на выходе, и стабилизируют температуру нелинейного волновода, по крайней мере один из торцов которого просветлен.}

В частности, вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 40^o< <50 ^{к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.}

Эффективное переключение достигается в случае, когда вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 45^o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.

Как правило, электрический ток пропускают в направлении, перпендикулярном слоям полупроводниковой структуры типа MQW.

Как правило, пропускают постоянный электрический ток, разброс значений которого от среднего по времени значения не превышает 0,1 мА.

Как правило, электрический ток, пропускаемый через нелинейный оптический волновод, от 0,5 мА до 10 мА.

Для осуществления переключения 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, причем у всех сигнальных излучений переменными являются одни и те же параметры.

Как правило, мощность излучения накачки по крайней мере на порядок больше мощности сигнального излучения.

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

В случае использования сигнального излучения и излучения накачки с разными длинами волн несущие частоты сигнального излучения и излучения накачки различаются на величину большую, чем t^-1, где t - характерное время изменения сигнала.

В случае использования сигнального излучения и излучения накачки с одинаковыми длинами волн несущие частоты сигнального излучения и излучения накачки различаются на величину меньшую, чем t^-1, где t - характерное время изменения сигнала.

В частном случае, векторы поляризации сигнального излучения и излучения накачки совпадают.

В другом частном случае векторы поляризации сигнального излучения и излучения накачки не совпадают.

В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение с линейной взаимно ортогональной поляризацией или с эллиптической поляризацией с ортогональными большими осями эллипсов поляризации.

Разность фаз между однонаправленными распределенно-связанными волнами ортогональных поляризаций устанавливают из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучений в нелинейный оптический волновод излучение фокусируют и/или после прохождения ими волновода излучения коллимируют с помощью цилиндрической линзы и/или градана, при этом поверхности цилиндрических линз и/или граданов могут быть просветлены; либо ввод излучений в нелинейный волновод и/или вывод излучений из волновода осуществляют посредством входного и/или выходного оптического волновода, при этом на входном и/или выходном торце входного и/или выходного оптического волновода может быть выполнена параболическая или цилиндрическая или коническая линза и/или установлен градан, а входные и/или выходные торцы волноводов и/или граданов просветлены.

В частном случае используют оптическое излучение в виде импульсов, например, в виде солитонов.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения, содержащем нелинейный оптический волновод, выполненный на основе слоистой квантоворазмерной полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем нелинейный волновод выполнен с возможностью распространения в нем по крайней мере двух однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций, и оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций на выходе устройства, слоистая полупроводниковая структура выполнена так, что в ней длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса _r удовлетворяет неравенству 0,8_r< < 1,2_r, где - длина волны оптического излучения, нелинейный оптический волновод ориентирован относительно вектора поляризации оптического излучения таким образом, что векторы электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, направлены под углом 10^o< <80 ^{к "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного оптического волновода, имеющего длину не меньшую длины, необходимой для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, при этом длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, не превосходит длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций уменьшается в 20 раз, при этом входной и/или выходной торцы нелинейного оптического волновода имеют просветляющие покрытия, нелинейный оптический волновод снабжен контактами для пропускания электрического тока через него, при этом устройство оптические элементы ввода и/или вывода, расположенные соответственно на входе и/или выходе нелинейного оптического волновода, причем элементы ввода и/или вывода и нелинейный оптический волновод выполнены в виде единого модуля, при этом элементы ввода и/или вывода установлены относительно нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой их юстировкой по люминесцентному излучению нелинейного оптического волновода, возникающему при пропускании через него электрического тока, в устройство дополнительно введен по крайней мере один элемент Пельтье, одна из пластин которого находится в тепловом контакте с нелинейным оптическим волноводом и по крайней мере одним датчиком температуры, при этом датчики температуры и элемент Пельтье электрически соединены с регулятором температуры и/или стабилизатором температуры.}

В частности, просветляющее покрытие на торцах нелинейного оптического волновода выполнено снижающим коэффициент отражения излучения от входного и/или выходного торца до величины не более 1%.

Устройство может быть снабжено источником тока, соединенным с электрическими контактами нелинейного оптического волновода.

Как правило, источник тока является источником постоянного тока, разброс значений которого от среднего по времени значения не превышает 0,1 мА.

Как правило источник тока выполнен с обеспечением величины тока, пропускаемого через нелинейный оптический волновод, от 0,5 мА до 10 мА.

Как правило, контакты выполнены на слоистой полупроводниковой структуре таким образом, что направление тока, пропускаемого через нелинейный оптический волновод, перпендикулярно слоям.

В частности нелинейный волновод ориентирован относительно вектора поляризации оптического излучения таким образом, что векторы электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, направлены под углом 40^o< <50 к "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного волновода.

Эффективное переключение достигается в том случае, когда нелинейный волновод ориентирован относительно вектора поляризации оптического излучения таким образом, что векторы электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, направлены под углом 45^o к "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного волновода.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучений, элементы ввода и/или вывода выполнены в виде цилиндрической линзы и/или градана, при этом поверхности цилиндрических линз и/или граданов могут быть просветлены; либо элементы ввода и/или вывода выполнены в виде входного и/или выходного оптического волновода, при этом на входном и/или выходном торце входного и/или выходного оптического волновода может быть сформирована параболическая или цилиндрическая или коническая линза и/или установлен градан, а входные и/или выходные торцы волноводов и/или граданов просветлены.

В частных случаях выполнения устройства с обеспечением его компактности единый модуль дополнительно содержит полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль в качестве источника излучения накачки, средняя мощность которого не ниже пороговой мощности, и/или полупроводниковый лазер с модулируемой выходной мощностью излучения, при этом полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль установлен относительно нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой его юстировкой по люминесцентному излучению нелинейного оптического волновода, возникающему при пропускании через него электрического тока, а также контролем изменения мощности оптического излучения, пропускаемого через нелинейный оптический волновод при включении и выключении электрического тока.

Для повышения стабильности длины волны излучения полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль выполнен с внешним резонатором и/или включает дисперсионный элемент.

В частности, в качестве по крайней мере одного из зеркал внешнего резонатора используется периодическая решетка, представляющая собой частично или полностью отражающий Брэгговский отражатель.

В частности, полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль соединен с нелинейным оптическим волноводом посредством элемента ввода, выполненным в виде входного волновода.

При этом зеркало внешнего резонатора полупроводникового лазера и/или лазерного модуля, включающего полупроводниковый лазер и волновод, может быть выполнено в виде периодической решетки показателя преломления примыкающего к лазеру волновода, выполненного в виде световода, или в виде гофра на поверхности волновода, примыкающего к лазеру.

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

В частности, 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.

В частности, полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев Si/Ge_xSi_1-x или GaAs/Al_xGa_1-xAs или In_1-xGa_xAs_yP_1-y/GaAs или Ga_xIn_1-xAs/GaAs или In_xGa_1-xAs/InP или In_1-xGa_xAs_yP_1-y/In_1-x' Ga_x'As_y'P_1-y', где x'x и/или y'y, или чередующихся слоев других полупроводниковых материалов.

Для уменьшения эллиптичности оптического излучения и обеспечения возможности поворота вектора поляризации вводимого в волновод излучения перед нелинейным оптическим волноводом установлен поляризатор.

В частных случаях оптический элемент для разделения излучений различных поляризаций и/или поляризатор, установленный перед нелинейным оптическим волноводом, выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или направленного ответвителя, разделяющего поляризацию, или поляризатора на основе одиночного оптического волновода.

В других частных случаях оптический элемент для разделения излучений различных поляризаций совмещен с нелинейным оптическим волноводом за счет выполнения нелинейного оптического волновода с различными коэффициентами поглощения для волн различных.

Для исключения обратного влияния отраженного от поверхностей оптических элементов излучения на лазер перед входом нелинейного волновода установлен оптический изолятор, который также может выполнять функцию поляризатора.

В частности, установленный перед входом нелинейного волновода оптический изолятор выполнен волноводным.

Для обеспечения требуемой разности фаз между ОРСВ ортогональных поляризаций на входе и/или выходе нелинейного волновода установлен фазовый компенсатор.

В частности, установленный на входе и/или выходе нелинейного волновода фазовый компенсатор выполнен волноводным.

Дополнительно на входе и/или выходе нелинейного волновода может быть установлена диафрагма и/или кварцевый кубик.

Для обеспечения ориентации вектора электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, под заданным углом "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного волновода полупроводниковый лазер, и/или нелинейный оптический волновод с элементами ввода и вывода излучения, и/или разделитель однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе устройства, и/или поляризатор, установленный на входе нелинейного волновода, и/или оптический изолятор соединены между собой оптическими волоконными разъемами, обеспечивающими возможность поворота упомянутых элементов относительно друг друга вокруг оптической оси устройства.

На фиг 1. показана ориентация векторов X, Y относительно "быстрой" и "медленной" осей X', Y' нелинейного волновода.

На фиг.2 изображено распределение эффективного показателя преломления в поперечном сечении нелинейного волновода.

На фиг. 3 изображено сечение волновода, выполненное в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями с электрическими контактами.

На фиг. 4 представлена характерная зависимость коэффициента передачи мощности через нелинейный оптический волновод волной одной поляризации, вертикальные линии соответствуют пороговой и критической мощности.

На фиг. 5 схематически изображено нелинейное оптическое устройство на основе квантоворазмерной структуры.

На фиг. 6 изображен вариант выполнения нелинейного оптического устройства в виде единого модуля с входными и выходными объективами.

На фиг. 7 и 8 изображены варианты выполнения нелинейного оптического устройства в виде единого модуля с входными и выходными волноводами и полупроводниковым лазерным модулем.

На фиг. 9 и 10 схематически изображены варианты устройства для оптического переключения и модуляции со входами для двух сигнальных излучений.

На фиг. 11 представлено конструктивное выполнение устройства.

На фиг. 12 и 13 представлены фотографии экрана осциллографа, на которых показано усиление слабой регулярной модуляции более чем на два порядка. Исходный сигнал от полупроводникового лазера, имеющий форму меандра, вследствие своей малости, сливается с линией развертки луча осциллографа, и поэтому не показан. Видна "дополнительность" между поляризациями: усиленные меандры имеют разную полярность.

На фиг. 14 представлена фотография экрана осциллографа, на которой также показано усиление слабой регулярной модуляции на два порядка, с использованием относительно мало "шумящих" стабилизаторов тока и температуры лазера; в отличие от предыдущих фотографий использовались поляризатор и оптический изолятор, установленные перед входом нелинейного оптического волновода.

На фиг. 15 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. 16 изображен вид сверху на один из нелинейных оптических волноводов и видны контактные пластины для закрепления электродов.

На фиг. 17 представлена фотография готового нелинейного оптического модуля; для сравнения размеров показана швейцарская монета 5 франков.

Способ переключения основан на нелинейном взаимодействии ОРСВ и осуществляется за счет резкого перераспределения мощности между ОРСВ ортогональных или эллиптических поляризаций в нелинейном оптическом волноводе. При этом на вход одного нелинейного 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 нелинейных волновода с целью обеспечения нелинейного режима, т.е. достижения величины дифференциального коэффициента усиления изменения 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.

Для осуществления процесса переключения в нелинейном оптическом волноводе должны распространяться по крайней мере две ОРСВ, которые в данном способе являются волнами линейных или эллиптических ортогональных поляризаций. Поскольку одна из связанных волн может иметь коэффициент потерь (в основном за счет поглощения) больше, чем другая, должно выполняться следующее условие: длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения, не должна превосходить длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из взаимодействующих ОРСВ различных поляризациий уменьшается в 20 раз. Различие в потерях для волн различных поляризаций может быть обусловлено не только анизотропией поглощения непосредственно нелинейного волновода, но и анизотропией поглощения металлической пленки, нанесенной на поверхность нелинейного волновода, а также анизотропией поглощения слоев полупроводниковой структуры с большей проводимостью, примыкающих к нелинейному волноводу.

Иными словами, длина нелинейного волновода l удовлетворяет неравенствам ll_cl_a, ll_nl_a, где длина, на которой происходит перекачка энергии из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации в линейном режиме при ориентации вектора электрического поля на входе под углом 45^o к "быстрой" или "медленной" осям волновода, _e и _o - эффективные показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волн в нелинейном двулучепреломляющем оптическом волноводе; длина поглощения, - максимальный из коэффициентов поглощения ОРСВ ортогональных поляризаций, характерный масштаб нелинейного взаимодействия, так называемая "нелинейная" длина, на которой нелинейная добавка к показателю преломления вызывает набег фазы порядка /2 (при нулевом коэффициенте линейной связи между волнами). Если l_c>>l_n, то имеем линейный режим. Если l_c<, то перекачка энергии из волны одной поляризации в волну другой поляризации будет незначительной и почти вся мощность на выходе останется в волне с исходной поляризацией. При этом критическая интенсивность, при которой "нелинейная" длина равна длине перекачки энергии l_c, - кубично-нелинейный коэффициент волновода. Например, если сильнее поглощается волна с y - поляризацией, то I_y(z) =I_y(z = 0)exp (-z/). Если мы работаем в области критической интенсивности, где эффект переключения наиболее ярко проявляется, то ll_c l_nl_a, тогда как в лазере и в лазерных усилителях имеет место обратное неравенство ll_cl_a.

Как показывают эксперименты, для заметного дифференциального усиления достаточно переключения и/или перекачки минимум 10% мощности, поскольку при дифференциальном усилении малых сигналов (когда мощность излучения накачки на входе много больше мощности сигнала) даже перекачка 10% мощности между ОРСВ может позволить достичь заметного дифференциального коэффициента усиления сигнала на выходе.

При вводе в нелинейный волновод линейно поляризованного излучения (или эллиптически поляризованного излучения) под некоторым углом к "быстрой" и "медленной" осям в нелинейном волноводе распространяются дв