Изобретение относится к нелинейной интегральной и волоконной оптике, 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, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция и усиление излучения.
Известны способ и устройство переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн [1]. Способ заключается в переключении или модуляции излучений, распространяющихся в виде различных волноводных мод в нелинейном 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 другую в нелинейной среде при изменении интенсивности излучения на входе волновода. Длины волны излучений выбираются близкими к длине волны экситонного резонанса λr для обеспечения максимального кубично- нелинейного коэффициента волноводов. В указанном способе пропускание 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 волновода составляет 1%. Малое пропускание 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 однонаправленных распределенно-связанных волн и устройство для его осуществления [3]. Способ включает ввод оптического излучения накачки и сигнального излучения различных поляризаций в волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями. Переключение осуществляется при взаимодействии 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 волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, например, GaAs/AlxGa1-xAs, и расположенный на выходе волновода оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн.
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности управления процессом переключения, ограниченность области применения и большие потери, обусловленные отсутствием 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 способа поставленная задача решается тем, что в способе переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемом с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающем ввод поляризованного оптического излучения с интенсивностью выше пороговой в нелинейный волновод, и разделение излучений различных поляризаций на выходе системы, полупроводниковая структура выполнена двулучепреломляющей и/или оптически активной, а при вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение интенсивности, или поляризации, или длины волны, или угла ввода оптического излучения, или внешнего электрического или магнитного поля, приложенного к нелинейному волноводу, при этом длину волны λ излучения выбирают из условий 0,5λr ≤ λ ≤ 1,5λr, где λr - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса, а через нелинейный волновод пропускают электрический ток.
В частном случае используют излучение линейной, или циркулярной, или эллиптической поляризации.
В частности, в нелинейный волновод вводят излучение, поляризация которого направлена под углом π/4 к оптической оси нелинейного волновода.
Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный волновод и/или после прохождения им волновода излучения коллимируют с помощью цилиндрической линзы и/или градана либо ввод излучения в волновод и/или вывод излучений осуществляют посредством другого оптического волновода, в частности 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 пропускается 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 полупроводниковую структуру в заданные интервалы времени.
Во втором варианте способа поставленная задача решается тем, что в способе переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, осуществляемом с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающем ввод поляризованного оптического сигнального излучения и поляризованного оптического излучения накачки с интенсивностью выше пороговой в волновод, и разделение однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе системы, полупроводниковая структура выполнена двулучепреломляющей и/или оптически активной, а при вводе сигнального излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение интенсивности, или фазы, или поляризации сигнального излучения, или длины волны, или угла ввода сигнального излучения, или одновременное изменение интенсивностей, или фаз, или поляризаций излучения накачки и сигнального излучения, при этом длину волны λ излучения накачки и/или сигнального излучения выбирают из условий 0,5λr ≤ λ ≤ 1,5λr, где λr - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса, через волновод пропускают электрический ток.
Для осуществления переключения двух и 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.
В частном случае излучение накачки может содержать излучения по крайней мере двух поляризаций, или двух длин волн, или двух мод.
При этом разделение однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе системы производят путем разделения излучений различных поляризаций и/или различных длин волн.
В частном случае сигнальное излучение и излучение накачки представляют собой различные волноводные моды, а разделение однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе системы производят путем разделения излучений различных мод.
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.
В различных частных случаях реализации способа можно использовать излучение накачки и сигнальное излучение как с одинаковой, так и с различной линейной поляризацией.
В частности, используют излучение накачки и сигнальное излучение с линейной взаимно ортогональной поляризацией; одной или противоположных циркулярных поляризаций; одинаковой или различной эллиптической поляризации.
Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучений в нелинейный волновод и/или после прохождения ими волновода излучения коллимируют с помощью цилиндрической линзы и/или градана, либо ввод излучений в нелинейный волновод и/или вывод излучений из волновода осуществляют посредством другого оптического волновода, в частности с выполненной на его входном и/или выходном торце линзы.
Для обеспечения модуляции оптического сигнала электрическим током на основе эффекта Фарадея входной волновод содержит Y-соединитель, в одну из входных ветвей которого подается сигнальное излучение, а в другую - излучение накачки, при этом ветвь, в которую подается сигнальное излучение, выполнена из магнитооптического материала и помещена в соленоид, через который пропускается переменный электрический ток, модулирующий поляризацию сигнального излучения, или выполнена в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.
В частном случае реализации несущие частоты сигнала и накачки различаются на величину большую, чем t-1, где t - характерное время изменения сигнала.
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.
В частном случае в нелинейный волновод вводят излучение линейной поляризации, которая направлена под углом π/4 к оптической оси нелинейного волновода.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн, содержащем нелинейный волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, и оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе устройства, слоистая полупроводниковая структура выполнена двулучепреломляющей или оптически активной и снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, при этом устройство содержит один или два оптических элемента ввода/вывода, расположенных соответственно на входе и/или выходе нелинейного волновода, а также источник тока, соединенный с контактами, причем элементы ввода и/или вывода и нелинейный 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 полупроводниковой структуры при пропускании через нее электрического тока.
При этом оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе устройства выполнен в виде оптического элемента для разделения излучений различных поляризаций, или длин волн, или мод.
В частности, полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/Alx, Ga1-x As или In1-x, Gax Asy P1-y/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 осуществления способа для повышения эффективности ввода-вывода излучений элементы ввода и/или вывода выполнены в виде дополнительного оптического волновода, 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 выполнения, 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 одна входная ветвь волноводного соединителя выполнена из магнитооптического материала и помещена в соленоид, или выполнена в виде электрооптического вращателя плоскости поляризации.
В частности, элементы ввода и/или вывода соединены с волноводом склейкой, либо элементы ввода и/или вывода соединены с волноводом посредством миниатюрного механического соединителя.
В частном случае оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе системы предназначен для разделения излучений различных поляризаций и выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или направленного ответвителя, разделяющего поляризацию (например, в виде призмы Глана, волноводного поляризатора, пленочного поляризатора); в другом частном случае - предназначен для разделения излучений различных длин волн и выполнен в виде дисперсионного элемента, или фильтра, или направленного ответвителя. Оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе системы может быть предназначен для разделения излучений различных мод и выполнен в виде диафрагмы или волноводного разделителя мод.
Дополнительно на входе и/или выходе переключателя может быть установлена диафрагма и/или кварцевые кубики.
В частном случае источник тока является источником постоянного тока.
С целью обеспечения возможности управляемости (в частности, для отстройки от шумов и помех в оптических линиях связи) источник постоянного тока снабжен быстродействующим выключателем.
Как правило, устройство дополнительно содержит лазер, соединенный со входным волноводом.
Для обеспечения возможности стабилизации температуры нелинейный волновод припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье.
На фиг. 1 изображено сечение волновода, выполненное в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями; на фиг. 2 и 3 схематически изображены варианты устройства для оптического переключения и модуляции с объективами, выполненными в виде цилиндрической линзы и градана; на фиг. 4 - устройство для оптического переключения и модуляции с использованием ячейки Фарадея; на фиг. 5 -вариант выполнения устройства для оптического переключения и модуляции с входными и выходными волноводами; на фиг. 6 и 7 - варианты устройства для оптического переключения и модуляции со входами для двух сигнальных излучений.
Способ переключения однонаправленных распределенно-связанных волн осуществляется путем взаимодействия (обмена энергией) волн различных поляризаций одинаковых или различных длин волн в одиночном двулучепреломляющем или обладающем оптической активностью волноводе. При этом на вход волновода в одном из вариантов способа подаются сигнальное излучение и излучение накачки. Сигнальное излучение является управляющим или информационным сигналом; как правило, интенсивность сигнального излучения как минимум на порядок меньше интенсивности излучения накачки, однако интенсивности указанных излучений в ряде случаев могут быть соизмеримы.
Сигнальное излучение и излучение накачки могут быть как различных, например, ортогональных или противоположно направленных циркулярных или эллиптических поляризаций, так и одной поляризации. В последнем случае внутри волновода происходит взаимодействие распределенно-связанных волн различных поляризаций, "рожденных" из волны исходной поляризации.
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 кубично-нелинейная среда (структура, изображенная на фиг.1). Таким образом, при изменении, например, интенсивности сигнального излучения и достижении значений мощности накачки выше порогового происходит переключение излучения (т.е. резкое изменение соотношения между интенсивностями волн различных поляризаций на выходе нелинейного волновода), и на выходе появляется усиленный сигнал. За счет указанного изменения соотношения интенсивностей волн можно также осуществлять модуляцию, т.е. вносить информацию в когерентную волну.
Например, на вход двулучепреломляющего нелинейного оптического волновода с эффективными показателями преломления обыкновенной и необыкновенной волн соответственно no и ne, и коэффициентом кубичной нелинейности θ, подают мощное оптическое излучение (называемое в дальнейшем накачкой), характеризующееся интенсивностью Iн > 0,1|no-ne|/|θ|, с вектором поля (поляризации), направленным под углом π/4 к оптической оси указанного объекта и одновременно подают линейно поляризованное оптическое сигнальное излучение (сигнал), максимальная интенсивность которого по крайней мере на порядок меньше интенсивности накачки, поляризованное ортогонально накачке, и интенсивность этого сигнала изменяют в пределах от нуля до максимального значения. При этом создается линейная распределенная связь между сигналом и накачкой, а на выходе указанного объекта резко меняется соотношение интенсивностей волн различных поляризаций. Длина волны излучения, как правило, выбирается близкой к длине волны экситонного и/или двухфотонного экситонного резонанса, т.к. при этом максимален нелинейный коэффициент волноводов, и, следовательно, обеспечивается наиболее эффективное переключение. Однако поглощение излучения по длине волны экситонного резонанса максимально. Поэтому через волновод (в поперечном направлении) пропускается электрический ток, обеспечивающий снижение поглощения вблизи резонансной области поглощения (где достигается максимальная, рекордная по величине нелинейность) по крайней мере на порядок по сравнению со случаем отсутствия указанного тока. За счет пропускания тока сближаются населенности верхнего и нижнего уровней и падает поглощение, и, таким образом, резко снижается критическая интенсивность и пороговая интенсивность (т. е. входная интенсивность накачки, необходимая для эффективного переключения) оптического излучения, вводимого в волновод.
Другой вариант реализации способа можно получить при использовании нелинейных волноводов, обладающих оптической активностью, как естественной, так и искусственной.
Можно также переключать излучения с одной частоты на другую. Такое переключение осуществляется в квадратично-нелинейной среде путем подачи на вход нелинейного волновода, например, мощного постоянного излучения накачки и более слабого сигнального излучения с длиной волны, отличной от длины волны накачки. Переключение излучения на выходе с одной частоты на другую может производиться и в кубично-нелинейной среде при использовании нескольких сигнальных излучений с различными длинами волн.
Кроме того, моды излучения накачки и сигнального излучения могут различаться.
Переключение и модуляция оптического излучения могут производиться также под действием электрического тока. Для этого используется эффект Фарадея (см. фиг. 4). При нулевом токе через соленоид, навитый на входной волновод, выполненный из магнитооптического стекла, поляризация поля на выходе и входе соленоида, а также на входе в нелинейный волновод, направлена вдоль одной оси, например, вертикальной оси. При пропускании через соленоид переменного электрического тока, изменение которого соответствует полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому) происходит поворот плоскости поляризации оптического излучения, проходящего через входной волновод. Величина и знак угла отклонения (поворота) плоскости поляризации оптического излучения от вертикальной оси (на выходе ячейки Фарадея) соответствует величине и знаку электрического тока, пропускаемого через соленоид, и, следовательно, величине и знаку полезного сигнала. Так как горизонтальная составляющая вектора поля при малых углах отклонения (поворота) от вертикали пропорциональна углу отклонения (поворота), а вертикальная составляющая почти не меняется, то можно считать, что на вход нелинейного волновода на основе MQW поступает переменный сигнал с вектором поляризации, направленным вдоль горизонтальной оси, и несущим полезную информацию; одновременно вертикально поляризованная накачка, почти постоянная по интенсивности и почти равная входной интенсивности излучения. При этих условиях на выходе получается усиленный полезный сигнал.
Таким образом, переключение и модуляция излучений достигается не только изменением интенсивности на входе нелинейного волновода, но и изменением поляризации, а также изменением разности фаз сигнального излучения и излучения накачки, либо изменением частоты излучения, либо изменением угла ввода излучения в волновод, либо изменением коэффициента связи между однонаправленными распределенно-связанными волнами или разности эффективных показателей преломления этих волн (например, за счет изменения двулучепреломления волновода) путем приложения к волноводу электрического или магнитного поля и его изменения.
Кроме того, переключение или усиление модуляции может происходить и при подаче на вход волновода не двух различных излучений (сигнального и накачки), а одного пучка достаточно мощного излучения (накачки).
Переключение или усиление модуляции будет достигаться при малой входной модуляции такого излучения по какому-либо параметру (интенсивности или направлению поляризации), при этом по крайней мере максимальные значения входной интенсивности должны превышать пороговое.
При определенных значениях интенсивности излучения на входе оптического модуля и определенном значении тока можно обеспечить два режима работы переключателя: в отсутствии тока переключения нет (излучения на выходе нет), а при пропускании тока происходит эффективное переключение (при тех же значениях интенсивности излучения). Это создает возможность управления режимами переключения. Такое управление может происходить по заранее заданной программе или по специальному (служебному) сигналу, который выделяется из информационного (сигнального излучения) и задает границы временного отрезка, в течение которого сигнал подлежит усилению. При этом отсекаются шум и ложные сигналы.
Переключение может осуществляться и с использованием нескольких независимых сигнальных излучений, в каждом из которых изменяемыми являются одни и те же параметры. Выбор соотношения между величиной сигналов и шириной участка усиления определяет режим переключения ("И" или "ИЛИ"). Для логического элемента "И" величина сигналов и ширина участка усиления выбираются таким образом, что переключение происходит только в случае присутствия на входе всех (или нескольких) сигнальных излучений одновременно. Переключение в режиме "ИЛИ" осуществляется для каждого из сигнальных излучений, поступивших на вход, что также достигается выбором величины сигналов и ширины участка усиления.
Оптический переключающий модуль содержит одиночный волновод 1, выполненный в виде структуры, изображенной на фиг.1, который может быть расположен на подложке. Полупроводниковая структура содержит не менее двух слоев. На верхнем слое полупроводниковой структуры расположен один электрический контакт 2, на тыльной поверхности подложки или нижнем слое структуры - другой контакт 3.
Для обеспечения оптимальных условий ввода излучений в нелинейный волновод и вывода излучений из него используются входной объектив и входной объектив или входные и выходные волноводы. Входной (выходной) объектив состоит, как правило, из цилиндрической линзы 4 и градана 5, в фокальной плоскости которых может быть расположена диафрагма 6. Эффективный ввод и вывод излучений может достигаться применением дополнительных входных волноводов 7, и/или выходных волноводов 8, имеющих сформированную на его входном и/или выходном торце линзу 9. Модуляция такого излучения по какому-либо параметру (интенсивности или направлению поляризации) осуществляется посредством модулятора 10.
На фиг. 2 изображен вариант устройства, в котором на вход подается только излучение накачки. Модуляция или переключение достигается изменением какого-либо параметра излучения накачки.
В случае использования сигнального излучения и излучения накачки (фиг.3) для их объединения может использоваться смеситель 11.
Для разделения излучений ортогональных поляризаций, длин волн или мод на выходе установлен оптический элемент 12. В различных вариантах устройства оптический элемент 12 для разделения излучений имеет различное выполнение. Так в устройстве, в котором требуется разделение различных поляризаций, элемент 12 представляет собой поляроид, или поляризационную призму, или двоякопреломляющую призму. В случае использования выходных волноводов 8 оптический элемент для разделения различных поляризаций может быть выполнен в виде направленного ответвителя, разделяющего поляризацию, либо одиночного волновода, преимущественно поглощающего волну одной поляризации.
Для разделения излучений различных длин волн оптический элемент 12 для разделения излучений представляет собой дисперсионный элемент или фильтр, например, интерференционный. В этом случае оптический элемент для разделения излучений может быть также выполнен в виде направленного ответвителя (выходной волновод 8).
Для разделения излучений различных мод оптический элемент 12 для разделения излучений может представлять собой устройство селекции мод, выполненное, например, в виде диафрагмы. Устройство селекции мод может быть выполнено в виде волноводного разделителя мод (выходной волновод 8).
При использовании в устройстве эффекта Фарадея используется входной волновод 7, выполненный в этом случае из магнитооптического стекла с намотанным на него соленоидом 13. Соленоид может быть намотан и на одну ветвь 14 Y-соединителя. Обмотки соленоида подключаются к источнику модулирующего тока. В обычных ячейках Фарадея, использующих магнитооптическое стекло, достигаются лишь малый уровень модуляции, либо малое быстродействие; в предлагаемом устройстве эти параметры во много раз выше. Входной волновод 7 может быть соединен с лазером 15, при этом все элементы устройства и лазер образуют единый модуль. Устройство, изображенное на фиг. 3, позволяет достичь высокий уровень модуляции при большом быстродействии.
Варианты выполнения устройства, изображенные на фиг. 6 и 7 представляют собой логические элементы ("И" или "ИЛИ").
Электрические контакты 2 и 3 соединены с источником постоянного тока, который может быть снабжен быстродействующим выключателем. Выключатель срабатывает либо в соответствии с заранее заданной программой, либо по специальному (служебному) сигналу, выделяемому из сигнального излучения. В этом случае управляющий вход включателя может быть подключен к приемнику служебного сигнала. Кроме того, наличие электрических контактов существенно облегчает юстировку устройства и повышает его точность и надежность, что создает возможность для объединения оптических элементов переключателя в единый блок. При прохождении тока многослойная светонесущая структура начинает люминесцировать, что позволяет, используя слабое излучение люминесценции, установить на входном и выходном торцах волновода цилиндрические линзы и граданы или дополнительные волноводы, значительно повысив при этом эффективность ввода и вывода излучения. Это дает возможность также работать с коллимированными цилиндрическими пучками на входе и на выходе оптического волновода, а само устройство (оптический транзистор, модулятор, логический элемент) становится готовым модулем.
Возможность осуществления различных вариантов способа и выполнение устройства иллюстрируется примерами.
Пример 1. Накачку с длиной волны λ = 0,83 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси, пропускали сквозь призму Глана, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую магнитооптическое стекло, легированное тербием (диамагнитное Фарадеево стекло), помещенное в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-AlxGa1-xAs, с x = 0.2, представляющей набор квантовых ям и обладающей двулучепреломлением. Оптическая ось этой двулучепреломляющей структуры была ориентирована вдоль вертикальной оси. Период структуры был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 0.5 мкм и на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0.83 мкм. Сверху и снизу квантоворазмерной структуры располагались симметрично горизонтальные слои Ga1-yAlyAs, с y = 0.22 толщиной 1 мкм и далее (для лучшего волноводного ограничения) - слои Ga1-yAlyAs, толщиной 0.5 мкм с y = 0.35. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Разность показателей преломления двух ортогонально-поляризованных волн составляла Δn = 4×10-3. Площадь поперечного сечения - примерно 10-7 см2. Сквозь волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток порядка 50 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Верхний слой полупроводниковой структуры, непосредственно к пленочному электроду и обеспечивающий электрический контакт, представлял собой сильно легированный GaAs типа p+ с концентрацией носителей 1019 см3 и имел толщину 0.35 мкм. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял θ = 10-4 СГСЭ. Длина волновода составляла 600 мкм. Ввод и вывод излучения их осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан, имела вид единого модуля. Через соленоид пропускался переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). На выходе получили полезный сигнал, усиленный в 104 раз, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе и изменение каждой из них в 104 раз превышало изменение интенсивности сигнала на входе нелинейного волновода.
Пример 2. Накачку в виде последовательности сверхкоротких импульсов длительностью 10 пс, с длиной волны λ = 1.55 мкм от NaCl:OH лазера в режиме синхронизации мод, поляризованную вдоль вертикальной оси, пропускали сквозь призму Глана, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую ферромагнитный кристалл граната (YIG, иттриево-железистый гранат), помещенный в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-AlxGa1-xAs, с x = 0.2, представлявшей набор квантовых ям. Период одной ямы был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 1 мкм, и на ней укладывалось примерно 40 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0.78 мкм. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Площадь поперечного сечения примерно 10-7 см2. Разность показателей преломления двух ортогонально-поляризованных волн составляла Δn = 4 • 10-3. Сквозь волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток порядка 70 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области двухфотонного экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составляет θ = 10-11 СГСЭ. Длина волновода составляла 1 мм. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан имела вид единого модуля. Через соленоид пропускали переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). На выходе получили полезный сигнал усиленный в 10 раз, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе и изменение каждой из них в 10 раз превышало изменение интенсивности сигнала на входе нелинейного волновода.
Пример 3. Накачку с длиной волны λ = 1.3 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси, пропускали сквозь призму Глана, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую ферромагнитный кристалл граната (YIG, иттриево-железистый гранат), помещенный в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа (фиг. 3) In1-xGaxAsyP1-y/GaAs, с X = 0.2, y = 2,2x, представляющей набор квантовых ям. Период структуры был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 0.5 мкм, и на ней укладывалось примерно 20 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 1.3 мкм. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Длина волновода - примерно 1 мм. Разность показателей преломления двух ортогонально-поляризованных волн составляла Δn = 4 • 10-3. Площадь поперечного сечения примерно 10-7 см2. Сквозь волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток порядка 70 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял θ = 10-4 СГСЭ. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан имела вид единого модуля. Через соленоид пропускался переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). На выходе получили полезный сигнал, усиленный в 103 раз, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе и изменение каждой из них в 103 раз превышало изменение интенсивности сигнала на входе нелинейного волновода.
Пример 4. Использовались лазеры и волноводы из примеров 1 - 3, но при нулевом токе через соленоид поляризация поля на выходе и входе соленоида, а также на входе в нелинейный волновод была направлена под углом 45o к вертикальной оси. Коэффициент усиления оптического сигнала и глубина модуляции (при той же амплитуде тока в цепи соленоида) были примерно на порядок меньше.
Пример 5. Использовался полосковый оптический волновод на основе квантоворазмерной слоистой структуры GaAs/AlxGa1-xAs со значением x = 0.2. Период структуры составлял 200 А. Толщина слоев GaAs составляла 100 А. Толщина светонесущего волноводного слоя была 1 мкм и на ней укладывалось 50 периодов квантоворазмерной структуры. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Длина волновода - примерно 1 мм. Длина волны, соответствующая краю зоны поглощения, приблизительно равнялась 0.85 мкм. Излучение с длиной волны λ = 0.86 мм от полупроводникового лазера вводили в волновод с помощью цилиндрической линзы и градана. Перед вводом в нелинейный волновод этому излучению придавалась циркулярная поляризация (например, пропусканием сквозь четвертьволновую пластинку или сквозь оптический волновод, на который подано электрическое напряжение). Вывод излучения из волновода также осуществлялся цилиндрической линзой и граданом. При этом вся конструкция, состоящая из оптического волновода, входных и выходных цилиндрических линз и граданов была оформлена в виде единого модуля. Через оптический волновод в поперечном лучу (волноводу) направлении (вертикальном) пропускался электрический ток порядка 100 мА, за счет которого уменьшалась абсолютная величина разности населенностей валентной зоны и зоны проводимости и соответственно резко снижалось резонансное поглощение излучения. Вместе с тем, за счет близости к резонансу, достигался весьма большой нелинейный коэффициент волноводов порядка 10-4 СГСЭ. Критическая мощность накачки, вблизи которой происходило эффективное самопереключение излучения, была порядка 10 мВт. Малое изменение мощности сигнала на входе порядка 1 мкВт вызывало в тысячу раз более сильное изменение мощностей на выходе волновода порядка 1 мВт, причем мощности на выходе волновода в ортогональных поляризациях изменялись в противофазе. Суммарная мощность на выходе и входе волновода была примерно одинакова, что подтверждает факт резкого уменьшения поглощения. Отметим, что используемое в качестве накачки излучение полупроводникового лазера формировалось в коллимированный аксиально симметричный пучок с помощью цилиндрической линзы и градана.
Пример 6. Использовался тот же оптический волновод, через который в поперечном направлении пропускали электрический ток порядка 100 мА. Излучение к волноводу подводилось по оптическому волоконному световоду, из которого это излучение через оптический контакт вводилось в волновод. В волновод подавали сигнал левой циркулярной поляризации, и накачку - правой циркулярной поляризации. На входе мощность накачки составляла 10 мВт, а мощность сигнала порядка 1 мкВт, причем входную мощность сигнала изменяли на величину порядка 1 мкВт. Изменение мощности на выходе волновода составляло 1 мВт.
Пример 7. Использовался тот же оптический волновод, через который в поперечном направлении пропускали электрический ток порядка 50 мА. Излучение к волноводу подводилось по оптическому волоконному световоду, из которого это излучение через оптический контакт вводилось в волновод. В волновод подавали сигнал одной линейной поляризации, и накачку - другой линейной поляризации, ортогональной поляризации сигнала. Вводимая мощность накачки составляла 10 мВт, а мощность сигнала порядка 1 мкВт, причем мощность мощности на выходе волноводов составляло 1 мВт.
Пример 8. Использовался тот же оптический волновод, через который в поперечном направлении пропускали электрический ток порядка 50 мА. Излучение к волноводу подводилось по оптическому волоконному световоду, из которого это излучение через оптический контакт вводилось в волновод. В волновод подавали излучение одной циркулярной поляризации мощностью примерно 10 мВт, и варьировали его интенсивность на входе на величину порядка 1 мкВт. Максимальное изменение мощности на выходе волновода в левой и правой циркулярных поляризациях составляло 1 мВт и происходило в противофазе.
Пример 9. Использовался полосковый оптический волновод на основе квантоворазмерной слоистой структуры In1-xGaxAsyP1-y со значением x = 0.2. Период структуры составлял 200 А. Толщина слоев GaAs составляла 100 А, и на всей толщине волновода (по вертикали) равной 1 мкм укладывалось 50 периодов структуры. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Длина волновода была примерно 1 мм. Длина волны, соответствующая краю зоны поглощения, приблизительно равнялась 1.3 мкм. Излучение с длиной волны λ = 1.3 мкм от полупроводникового лазера вводили в указанный волновод с помощью цилиндрической линзы и градана. Вывод излучения из волновода также осуществлялся цилиндрическими линзой и граданом. При этом вся конструкция, состоящая из оптического волновода, вводных и выводных цилиндрических линз и граданов была оформлена в виде единого модуля. Через волновод в поперечном лучу направлении (вертикальном) пропускался электрический ток порядка 70 мА, за счет которого уменьшалась абсолютная величина разности населенностей валентной зоны и зоны проводимости и соответственно резко снижалось резонансное поглощение излучения. Вместе с тем, за счет близости к резонансу, достигался весьма большой нелинейный коэффициент волноводов порядка 10-4 СГСЭ. Критическая мощность накачки, вблизи которой происходило эффективное самопереключение излучения была порядка 20 мВт. Малое изменение мощности сигнала на входе порядка 1 мкВт вызывало в тысячи раз более сильное изменение мощностей в каждой поляризации на выходе волновода (порядка 10 мВт), причем мощности на выходе волновода в ортогональных поляризациях изменялись в противофазе. Суммарная мощность на выходе и входе волноводов была примерно одинакова, что подтверждает факт резкого уменьшения поглощения. Отметим, что используемое в качестве накачки излучение полупроводникового лазера формировалось в коллимированный аксиально симметричный пучок с помощью цилиндрической линзы и градана.
Пример 10. Использовался оптический волновод из примера 2, через который в поперечном направлении пропускали электрический ток порядка 100 мА. В волновод подавали накачку с длиной волны близкой к 1.7 мкм линейной, или круговой поляризации, или эллиптической поляризации, и сигнал другой или той же самой линейной, или круговой поляризации, или эллиптической поляризации с длиной волны близкой к 0.85 мкм. Вводимая мощность накачки составляла 50 мВт, а мощность сигнала порядка 1 мкВт, причем мощность сигнала изменялась на величину порядка 1 мкВт. Изменение мощности на выходе волноводов составляло 5 мВт.
Пример 11. Накачку мощностью порядка 60 мВт с длиной волны λ = 0.78 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси, вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-AlxGa1-xAs, с x=0.3, представлявшей набор квантовых ям. Период структуры был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 0.5 мкм и на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0.77 мкм. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Длина волновода - примерно 1 мм. Разность показателей преломления двух ортогонально поляризованных волн составляла Δn = 4•10-3. Площадь поперечного сечения примерно 10 мкм. Сквозь волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток порядка 50 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпресcии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял 10-4 СГСЭ. Длина волновода составляла 1 мм. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан имела вид единого модуля. Если одновременно в тот же нелинейный волновод с помощью смесителя вводится промодулированное по интенсивности сигнальное излучение с длиной волны λ = 1.55 мкм и максимальной мощностью 0.5 мВт, поляризованное ортогонально накачке, то на выходе этого волновода возникает усиленное излучение (с мощностью порядка 50 мВт) с длиной волны λ = 1.55 мкм, модуляция которого почти без искажений повторяет модуляцию сигнального излучения на входе, а максимальная мощность составляет 40 мВт. При отсутствии сигнального излучения на входе, излучения с длиной волны λ = 1.55 мкм нет. Если же сигнальное излучение на входе есть и его мощность 0.5 мВт, то на выходе мощность излучения с длиной волны λ = 1.55 мкм составляет 40 мВт. В данном примере рассмотрено параметрическое преобразование частоты вниз, т.е. деление частоты. Оно основано на квадратичной нелинейности среды, которая также как и кубичная нелинейность резко возрастает вблизи экситонного резонанса. Причем в данном примере накачка попадает в область экситонного резонанса, а сигнальное излучение - в область двухфотонного экситонного резонанса.
Для увеличения двулучепреломления слоистой структуры с целью повышения эффективности преобразования частоты и переключения за счет улучшения фазового согласования волн на различных частотах ( (ω и 2ω) ) можно использовать структуру GaAs/AlAs, в которой слои AlAs преобразованы в оксидные с показателем преломления n ≈ 1.6.
Пример 12. Использовался нелинейный волновод, аналогичный рассмотренному в примере 1, но с вдвое большей толщиной светонесущего слоя. Поэтому в этом волноводе могли распространяться две поперечные моды. На вход с помощью Y - соединения подавались накачка в нулевой моде и сигнал в первой моде. На выходе излучения нулевой и первой моды пространственно разделялись. Линейная связь между модами может присутствовать (за счет пространственной неоднородности [4], но может и отсутствовать. И в первом и во втором случаях происходит переключение между модами и усиление входной модуляции при превышении накачкой порогового значения.
Пример 13. Использовался нелинейный полупроводниковый волновод, аналогичный рассмотренному в примере 1. Сигнальное излучение перед подачей в смеситель пропускается сквозь фазовый модулятор, представляющий волновод, по бокам которого расположены пленочные электроды, на которые подается модулирующее электрическое напряжение, изменяющее сдвиг фаз между сигналом и накачкой на входе линейного волновода. Указанный фазовый модулятор изображен, например, на рис. 4.5 (на с. 213) из книги [4].
Пример 14. Использовался нелинейный полупроводниковый волновод, аналогичный рассмотренному в примере 1. К волноводу приложено пространственно-периодическое вдоль длины стационарное электрическое поле, формируемое с помощью периодической электронной структуры (см. рис.4.26 на с. 256, 257 из [4] ). В линейном режиме в такой структуре происходит вращение плоскости поляризации. В нелинейном режиме (при превышении накачкой порогового значения) и малом изменении входной интенсивности сигнала или накачки происходило резкое переключение излучения из ТЕ поляризации в ТМ поляризацию или наоборот, сопровождающееся резким усилением выходной модуляции.
Литература:
1. P. Li. Kam Wa, P.N.Robson, J.S.Roberts, M.A.Pate, J.P.R.David. All-optical switching between modes of a GaAs/GaAlAs multiple quantum well waveguide Appl.Phys.Lett. v.52, No 24, 2013-2014, 1988.
2. Заявка PCT No 96/01441, кл. G 02 F 1/01, 1996.
3. Волновая оптоэлектроника. Под ред. Т.Тамира, М., "Мир", 1991.
4. 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/AlGaAs strip-loaded nonlinear directional couplers", Appl.Phys. Lett., 53(19), 1977, p.1791-1792.
Способ и устройство могут быть использованы в волоконно-оптических линиях связи и оптических логических схемах. Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн осуществляется с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного в виде слоистой структуры типа MQW с чередующимися слоями, которая является полупроводниковой двулучепреломляющей и/или оптической активной, и включает ввод поляризованного оптического сигнального излучения и поляризованного оптического излучения накачки, изменение интенсивности, или фазы, или поляризации, или длины волны, или угла ввода сигнального излучения, или одновременное изменение интенсивностей, или фаз, или поляризаций излучения накачки и сигнального излучения. Через волновод в поперечном к нему направлении пропускают электрический ток. На выходе системы разделяют однонаправленные распределенно-связанные волны. В другом варианте способа в волновод вводят только излучение накачки и измеряют интенсивность, или поляризацию, или длину волны излучения на входе волновода, или изменяют электрическое или магнитное поле, приложенное к волноводу. Устройство содержит устройства ввода/вывода, оптический элемент разделения волн на выходе волновода. Повышена компактность и надежность устройства, расширена область его применения, снижена мощность накачки. 3 с. и 46 з.п. ф-лы, 7 ил.
| Тамир Т | |||
| Волноводная оптоэлектроника | |||
| - М.: Мир, 1991, с.190 - 200 WO 96/01441 A1, 18.01.96 | |||
| US 5355120 A, 27.09.94. |
