СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПОЛЯРИЗАЦИЙ Российский патент 1998 года по МПК G02F1/01 

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики.

Известен способ переключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) ортогональных поляризаций, заключающийся в том, что между волнами ортогональных поляризаций за счет выбора ориентации кристалла или волновода создают линейную распределенную связь, подают мощную оптическую волну (накачку) и одновременно малый управляющий оптический сигнал и интенсивность сигнала изменяют. При этом на выходе среды резко меняется соотношение интенсивностей волн различных поляризаций.

Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является недостаточно высокий коэффициент усиления и трудность ориентирования объекта (кристалла или оптического волновода).

Технический результат изобретения выражается в повышении коэффициента усиления сигнала и создании благоприятных условий для реализации оптического транзистора, а также приборов на его основе.

Технический результат достигается тем, что за счет выбора ориентации объекта (обладающего двулучепреломлением) и вектора поляризации падающей волны линейная связь волн ортогональных поляризаций полностью устраняется.

Взаимодействие ОРСВ двух ортогональных поляризаций в двулучепреломляющей кубично-нелинейной среде с амплитудами A_x и A_y описывается уравнениями

где K - коэффициент связи;
α = β_y-β_x - различие между показателями преломления волн с поляризациями вдоль осей x и y;
ζ = zω/c,
z - координата вдоль распространения ОРСВ;
- нелинейные коэффициенты.

Если перейти к интенсивностям и фазам, то уравнения (1) примут вид

где
штрих означает дифференцирование по ζ.
Главная сложность уравнений (1,2) состоит в присутствии члена с Для периодически скрученного волоконного световода (поляризационного фильтра) член с может быть отброшен.

Нами найдено специальное преобразование переменных, которое упростило уравнения и позволило найти их аналитическое решение

где введены нормированные параметры Стокса
ξ=(I_y-I_x)/I,

I=I_x+I_y, I_n= θI/3,


(z=0),
η₀= η (z=0),
u₀= ξ20

+ η20, S=s+s₀,


l - длина образца (разумеется, l можно трактовать и как текущую координату z),

Это решение справедливо для любых начальных условий I_x0=I_x(z=0), I_y0= I_y(z=0), ψ₀= ψ (z=0) и для любых значений K и α.
Как известно самопереключение ОРСВ имеет место при условии r=1 или r₁=0 (средняя точка самопереключения M), т.е. в данном случае при условии

из которого определяем I_n в средней точке переключения M
I_nM(1-ξ20-η20) = 2[αξ₀+Kη₀+γsign(θ)] (5)
Поведение решения (3) определяется двумя ключевыми членами, для которых в области самопереключения справедливы аппроксимации

где U = r21exp(S)/16.
В данном изобретении акцент делается на случае K=0, в котором интенсивности (выражающиеся через ξ описываются членом в (3) пропорциональным sn² (S, r), который достигает экстремальных значений 0 и 1 соответственно при U²=1 и U=0.

В рассматриваемом случае (K=0) условие самопереключения (4,5) удовлетворяется при

При cos(ψ₀) = 0 коэффициент усиления малого изменения интенсивности в средней точке переключения M (r=1) вычисляется по формуле

где
Экстремальные значения T_x и глубина переключения ΔT определяются формулами

При имеем ΔT ≈ 1, т.е. при достаточно больших интенсивностях самопереключение становится почти полным. Формула (8) дает гораздо больший коэффициент усиления, чем аналогичная формула для случая α =0; он становится чрезвычайно большим даже при относительно небольших L. Например, при имеем ∂I_xl/∂I_x0 ≈10⁶R_y≈5•10⁶ и ΔT ≈ 0,85; при L=1,6 π, R_y= 3 получаем ∂I_xl/∂I_x0 ≈12•10⁶R_y≈36•10⁶ и ΔT ≈ 0,75. Эти данные хорошо согласуются с результатами численного решения исходных уравнений (1).

Переключение возможно и при cos(ψ₀) ≠ 0.
В области больших интенсивностей сигнала I_xo таких, что I-2n

(γ+ρ)² ≪ 1, с ростом I_xo биения выходных интенсивностей I_xl, I_yl происходят с нарастающей амплитудой. Физически это объясняется нелинейной связью, обусловленной членом с которая как бы увеличивается с ростом интенсивностей. В принципе эти переколебания интенсивностей также можно использовать для переключения излучения.

На чертеже приведена зависимость коэффициента передачи мощности излучения накачки T_x ≡ I_x/(I_xo+I_yo) от нормированной интенсивности сигнала поляризованного ортогонально накачке, при

где - нормированная интенсивность накачки.

Возможность осуществления данного изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Накачку с длиной волны λ ≃ 1 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси (Y) вводили в волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-Ga_xAl_1-xAs, с x = 0,23, представлявшей набор квантовых ям; θ ≃ 10^-4 СГСЭ. Разность показателей преломления двух ортогонально поляризованных волн составляла Δn = 3•10^-4= α. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7см². Длина волновода 1 см. Интенсивность накачки устанавливалась большей, чем т.е. вводимая мощность накачки была порядка 1 мВт. При подаче в тот же волновод слабого сигнала (той же длины волны), но полязированного вдоль горизонтальной оси (X) и его изменении на 0,1 мкВт мощность на выходе в каждой поляризации менялась примерно на 1 мВт.

Пример 2. Накачка с длиной волны λ ≃ 0,5 мкм от аргонового лазера, поляризованная вдоль вертикальной оси (Y), вводилась в волоконный световод с двулучепреломлением порядка 10^-7; θ ≃ 10^-13 СГСЭ. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7см². Длина световода составляла 10 м. Интенсивность накачки устанавливалась большей, чем т.е. вводимая мощность порядка 100 Вт. В тот же волновод подавали слабый сигнал, поляризованный вдоль горизонтальной оси (х), и изменяли его примерно на 1 мВт. Мощность на выходе в каждой поляризации менялась примерно на 20 Вт.

Использование: изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики и может быть использовано для создания оптических транзистора, модулятора и логических элементов. Сущность изобретения: способ основан на явлении самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн в кубично-нелинейной среде и заключается в направлении на объект линейно поляризованной волны накачки и ортогонально ей поляризованной сигнальной волны, при этом вектор поляризации волны накачки или сигнала направляют вдоль оптической оси или под углом к ней много меньше π/2, интенсивность волны накачки I_p выбирают выше некоторого порогового значения, а интенсивность волны сигнала I_s изменяют в пределах от нуля до максимального значения I_s,max <0,1 • I_p. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ переключения оптических волн ортогональных поляризаций, заключающийся в том, что на вход объекта, обладающего двулучепреломлением, кристалла или оптического волновода направляют линейно поляризованную оптическую волну накачки и ортогонально ей поляризованную оптическую сигнальную волну, отличающийся тем, что вектор поляризации волны накачки или сигнала направляют вдоль оптической оси объекта, обладающего двулучепреломлением, или под углом много меньше π /2 к этой оси, а интенсивность волны накачки выбирают выше порогового значения, определяемого из условия

где θ - кубично-нелинейный коэффициент объекта (волновода или кристалла);
α = n_o-n_e - разность эффективных показателей преломления ортогонально поляризованных волн,
и интенсивность волны сигнала изменяют в пределах от нуля до максимального значения I_smax < 0,1 • I_р. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол между оптической осью объекта, обладающего двулучепреломлением, и вектором поляризации волны накачки или сигнала выбирают в соответствии с требуемым режимом переключения в диапазоне от нуля до угла, много меньшего π/2.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что выбор угла между оптической осью объекта, обладающего двулучепреломлением, и вектором поляризации волны накачки или сигнала осуществляют путем поворота объекта. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что оптические частоты волн сигнала и накачки совпадают.