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 и безволоконных оптических линиях связи, в оптических логических схемах и в других областях, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция и усиление излучения.
Известен нелинейный оптический переключатель, модулятор, усилитель и управляющий элемент, включающий нелинейный оптический волновод, выполненный на основе слоистой нелинейно-оптической полупроводниковой структуры типа MQW (multiple quantum well) с чередующимися слоями. На входе и выходе нелинейного волновода установлены микрообъективы (P.Li.Karn 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, N 24, 2013-2014, 1988). С помощью данного устройства можно осуществлять способ переключения, модуляции, усиления и управления, заключающийся во вводе излучений (сигнального и накачки) в нелинейный оптический волновод, переключение связанных волн в нелинейном волноводе и разделение излучений на выходе. При использовании данного устройства и способа невозможно точно согласовать длину волны экситонного резонанса нелинейно-оптической полупроводниковой структуры с длиной волны излучения накачки и/или сигнала, что не позволяет достичь максимальный нелинейный коэффициент и соответственно в достаточной степени снизить пороговую и критическую интенсивности излучения накачки. Невозможно также регулировать значение критической и пороговой мощности, выбирая требуемый нелинейный коэффициент, за счет регулирования длины волны экситонного резонанса. При этом в случае близости длины волны экситонного резонанса нелинейно-оптической полупроводниковой структуры к длине волны излучения накачки и/или сигнала возникают большие потери в случае близости длин волн излучений к длине волны экситонного резонанса. Помимо отмеченных выше недостатков, такое устройство вносит потери, обусловленные недостатками коллимирующей оптики на входе и выходе, не учитывающей форму сечения нелинейного волновода. Недостатками являются также сложность установки и закрепления микрообъективов относительно нелинейного волновода и недостаточная компактность устройства.
Известен также нелинейный оптический оптический переключатель, модулятор, усилитель и управляющий элемент, (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), включающий два туннельно-связанных оптических волновода (ТСОВ), выполненных на основе слоистых нелинейно-оптических полупроводниковых структур типа MQW с чередующимися слоями GaAs/AIGaAs. Длины волн излучений выбираются близкими к длине волны экситонного резонанса для обеспечения максимального кубично-нелинейного коэффициента волноводов. С помощью данного устройства можно осуществлять способ переключения, модуляции, усиления и управления, заключающийся в вводе излучений (сигнального и накачки) в нелинейные ТСОВ, переключении связанных волн в нелинейных волноводах и разделение излучений на выходе.
В указанном устройстве и способе также очень сложно точно согласовать длину волны экситонного резонанса нелинейно-оптической полупроводниковой структуры с длиной волны излучения накачки и регулировать разность длин волн экситонного резонанса и излучения накачки. Сложность регулирования разности длин волн экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного волновода и излучения накачки приводит к повышению требований к стабильности источника накачки, т.к. малое изменение интенсивности накачки может вызвать случайное переключение излучений, т.е. в этом случае велика вероятность получения на выходе ошибки переключения или модуляции. Кроме того, в данном устройстве пропускание нелинейных волноводов на рабочей длине волны составляет 1%, что обусловлено максимальным коэффициентом поглощения материала нелинейного волновода на длине волны экситонного резонанса. Малое пропускание и невозможность регулирования пороговой мощности ограничивают область применения устройства.
Помимо отмеченных выше недостатков такой переключающий модуль вносит потери, обусловленные отсутствием коллимирующей оптики на входе и выходе.
Указанные недостатки обусловлены тем, что устройства не обеспечивают возможность регулирования и/или стабилизации критической интенсивности за счет регулирования и стабилизации нелинейных коэффициентов путем регулирования и стабилизации длины волны экситонного резонанса нелинейно-оптической полупроводниковой квантоворазмерной структуры, составляющей основу полностью оптического переключающего и/или модулирующего устройства.
Технической задачей изобретения является резкое снижение мощности накачки на входе устройства с возможностью одновременного повышения дифференциального коэффициента усиления (т.е. чувствительности устройства) и глубины переключения, а также обеспечение возможности регулирования пороговой и критической мощности и управления дифференциальным коэффициентом усиления и соотношением мощностей связанных волн на выходе, и достижение компактности и надежности устройства.
Поставленная задача решается также тем, что в способе переключения, модуляции, усиления и управления, осуществляемом с использованием по крайней мере одного нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, включающем ввод по крайней мере одного оптического излучения по крайней мере в один нелинейный волновод, переключение мощности между связанными волнами на выходе при изменении по крайней мере одного из параметров излучения на входе, и разделение и/или выделение излучений на выходе, вводят оптическое излучение по крайней мере с одним изменяемым параметром и средней интенсивностью выше пороговой или оптическое излучение накачки с интенсивностью выше пороговой и оптическое сигнальное излучение по крайней мере с одним изменяемым параметром, причем используют волновод или волноводы, обладающие кубичной и/или квадратичной нелинейностью, длину волны λ оптического излучения с изменяемым параметром, или излучения накачки, или сигнального излучения, или излучения накачки и сигнального излучения выбирают из условии 0,5λr ≤ λ ≤ 1,5λr, гдe λr - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре нелинейного оптического волновода, при этом температуру полупроводниковой структуры по крайней мере одного нелинейного оптического волновода устанавливают из условия обеспечения заданной величины пороговой интенсивности, и/или критической интенсивности, и/или дифференциального коэффициента усиления, и/или соотношения мощностей связанных волн на выходе, и стабилизируют температуру полупроводниковых структур нелинейных волноводов.
Как правило, температуру устанавливают и/или стабилизируют путем ее регулирования с помощью по крайней мере одного элемента Пельтье и/или термостата.
При вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение интенсивности, и/или длины волны, и/или поляризации вводимого оптического излучения, и/или фазы, и/или угла ввода излучения, и/или внешнего электрического или магнитного поля.
Как правило, длину волны λ оптического излучения с изменяемым параметром, или излучения накачки, или сигнального излучения, или излучения накачки и сигнального излучения выбирают из условий 0,9λr ≤ λ ≤ 1,1λr.
При этом производят переключение мощности между однонаправленными или разнонаправленными связанными волнами.
В частности, производят переключение мощности однонаправленных распределенно-связанных волн, связанных поляризаций.
Для обеспечения максимального пропускания излучений через нелинейные волноводы пропускают электрический ток, как правило, в поперечном направлении.
Как правило, по крайней мере один источник излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, при этом дополнительно регулируют и/или стабилизируют температуру излучающей полупроводниковой структуры лазера.
В одном варианте, при вводе двух или более излучений, одно из которых является излучением накачки, остальные - сигнальными излучениями, их выбирают с равными длинами волн, причем длину волны экситонного резонанса λr полупроводниковой структуры по крайней мере одного нелинейного волновода и/или длину волны излучения лазера устанавливают равной или близкой к длине волны излучений путем регулирования температуры полупроводниковой структуры нелинейного волновода и/или излучающей полупроводниковой структуры лазера.
В других вариантах, при вводе двух или более излучений, одно из которых является излучением накачки, остальные - сигнальными излучениями, их выбирают с различными длинами волн, причем длину волны экситонного резонанса λr полупроводниковой структуры по крайней мере одного нелинейного волновода и/или длину волны излучения лазера устанавливают путем регулирования температуры полупроводниковой структуры нелинейного волновода и/или излучающей полупроводниковой структуры лазера таким образом, что разность длин волн сигнальных излучений и экситонного резонанса полупроводниковой структуры меньше или больше, чем разность длин волн излучения накачки и экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного волновода и/или длины волны излучения лазера. Причем в первом случае, когда указанная разность меньше, достигается снижение требований к стабильности источника накачки, а во втором, когда указанная разность больше, достигается снижение пороговой мощности накачки.
В частном случае перед вводом излучений в нелинейные волноводы и/или после прохождения ими нелинейных волноводов излучения коллимируют с помощью цилиндрических линз и/или граданов.
Поставленная задача решается также тем, что в нелинейный оптический переключатель, модулятор, усилитель и управляющий элемент, содержащий по крайней мере один нелинейный оптический волновод, выполненный на основе слоистой нелинейно-оптической полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем волновод или волноводы выполнены с возможностью распространения в них по крайней мере двух однонаправленных или разнонаправленных связанных волны, а также разделитель на выходе, дополнительно введен по крайней мере один элемент Пельтье, одна из пластин которого находится в тепловом контакте по крайней мере с одним нелинейным оптическим волноводом и по крайней мере одним датчиком температуры, при этом датчики температуры и элемент Пельтье электрически соединены с регулятором (контроллером) температуры и/или стабилизатором температуры.
При этом по крайней мере один нелинейный оптический волновод является квадратично- и/или кубично-нелинейным.
В частности, каждая нелинейно-оптическая полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/AlxGa1-xAs, или In1-xGaxAsyP1-y/GaAs или Gaxln1-xAs/GaAs, или In1-xGaxAsyP1-y/In1-x′Gax′Asy′P1-y′, где x≠x' и/или y≠y'.
В частности, в качестве датчиков (сенсоров) температуры используют термисторы, и/или термопары, и/или датчики в виде интегральных схем.
Кроме того, нелинейный оптический переключатель, модулятор, усилитель и управляющий элемент может содержать радиатор для рассеивания тепла, находящийся в тепловом контакте по крайней мере с одним элементом Пельтье.
Для уменьшения коэффициента поглощения материала нелинейного волновода на длине волны экситонного резонанса каждая слоистая нелинейно-оптическая полупроводниковая структура типа MQW снабжена контактами для пропускания электрического тока через нелинейный оптический волновод.
В частном случае ток через нелинейный оптический волновод пропускают в направлении, перпендикулярном слоям.
В частном случае источник тока является источником постоянного тока, как правило, малошумящим, шумы которого не превышают 0,5 мА.
Как правило, контакты для пропускания электрического тока через нелинейный оптический волновод электрически соединены с регулятором тока и/или стабилизатором тока.
Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучений в нелинейный оптический волновод и/или после прохождения ими нелинейного оптического волновода по крайней мере один нелинейный оптический волновод снабжен элементами ввода и/или вывода, 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 оптического волновода с точностью, обеспечиваемой их юстировкой по люминесцентному излучению нелинейного оптического волновода, возникающего при пропускании через него электрического тока.
Для снижения, регулирования или выбора пороговой и критической мощностей и повышения или регулирования дифференциального коэффициента усиления путем увеличения или регулирования нелинейного коэффициента волновода за счет регулирования степени близости к экситонному резонансу длины волны излучения лазера, устройство дополнительно содержит по крайней мере один полупроводниковый лазер, оптически соединенный по крайней мере с одним нелинейным оптическим волноводом, при этом излучающая полупроводниковая структура лазера дополнительно снабжена по крайней мере одним элементом Пельтье, одна из пластин которого находится в тепловом контакте с лазерной излучающей полупроводниковой структурой и по крайней мере одним датчиком температуры, при этом датчики температуры и элемент Пельтье соединены с регулятором (контроллером) температуры и/или стабилизатором температуры.
Для стабилизации длины волны излучения и/или обеспечения одночастотного режима генерации полупроводниковый лазер выполнен с внешним резонатором.
При этом в качестве по крайней мере одного из зеркал внешнего резонатора используется периодическая решетка, представляющая собой частично или полностью отражающий Брэгговский отражатель.
При этом полупроводниковый лазер может быть соединен по крайней мере с одним нелинейным волноводом посредством элемента ввода.
Принцип работы переключателей, модуляторов, усилителей и управляющих элементов основан либо на явлении самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ), либо на переключении разнонаправленных связанных волн.
В том случае, если принцип работы основан на оптической бистабильности резонатора Фабри-Перо, на торцах нелинейных волноводов выполняются зеркала, в частности образованные за счет естественного скола, либо представляющие собой отражающее покрытие, как правило, интерференционное, либо выполненные в виде периодических решеток, представляющих собой Брэгговские отражатели.
В том случае, если принцип работы основан на оптической бистабильности нелинейного волновода с распределенной обратной связью, в самом нелинейном оптическом волноводе выполнена периодическая решетка с образованием оптического бистабильного элемента с распределенной обратной связью, благодаря которой волны, идущие в разных направлениях, взаимодействуют между собой.
В частном случае волновод или волноводы выполнены с возможностью распространения в них по крайней мере двух однонаправленных распределеннно-связанных волн, причем длина оптического нелинейного волновода или нелинейных волноводов, необходимая для эффективного переключения мощности между ними на выходе, не превосходит длину, на которой мощность каждой из однонаправленных распределенно-связанных волн уменьшается в e2 раз.
В том случае, если принцип работы основан на явлении самопереключения ОРСВ, на торцы нелинейных волноводов, как правило, наносятся просветляющие покрытия для улучшения работы переключателя и модулятора.
В частном случае нелинейный оптический волновод является двулучепреломляющим, и/или магнитооптическим, и/или электрооптическим, и/или акустооптическим.
При этом длина оптического нелинейного волновода, необходимая для эффективного переключения мощности между ними на выходе, не превосходит длину, на которой мощность каждой из ОРСВ, имеющих различную поляризацию, уменьшается в e2 раз.
В частном случае устройство содержит по крайней мере два нелинейных оптических волновода, они представляют собой туннельно-связанные волноводы.
Для исключения отражений от входного и выходного торцов нелинейного волновода на входной и выходной поверхностях нелинейного оптического волновода выполнены просветляющие покрытия.
В частном случае 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, периодическая решетка, представляющая собой частично или полностью отражающий Брэгговский отражатель, являющийся одним из зеркал внешнего резонатора полупроводникового лазера, выполнена в части входного оптического волновода, примыкающей к лазеру.
В частности, полупроводниковый лазер соединен по крайней мере с одним нелинейным волноводом посредством элемента ввода с образованием единого волновода.
В частности, на входных и/или выходных торцах входного и/или выходных оптических волноводов сформированы линзы.
На фиг. 1 изображено нелинейное оптическое устройство на основе квантоворазмерной структуры.
На фиг. 2 изображен вариант выполнения нелинейного оптического устройства в виде единого модуля с входными и выходными объективами.
На фиг. 3 изображен вариант выполнения нелинейного оптического устройства в виде единого модуля с входными и выходными волноводами и полупроводниковым лазером.
На фиг.4 представлено конструктивное выполнение устройства.
На фиг. 5 изображена зависимость коэффициента передачи одной из ОРСВ (с линейной распределенной связью) в простейшем случае равенстве линейных эффективных показателей преломления волн и подачи на вход одной из них.
ОРСВ представляют собой целый класс волн в оптике. К ним относятся: волны в ТСОВ, волны различных поляризаций в двулучепреломляющем или магнитоактивном оптическом волноводе, проходящая и дифрагированная волны при брэгговской дифракции в периодической структуре, различные волноводные моды в неоднородном оптическом волноводе, волны на различных частотах в среде с квадратичной или кубичной нелинейностью. Если речь идет о волнах на различных частотах в кубично-нелинейной среде, то имеются в виду волны при попутном четырехволновом взаимодействии или волны при генерации третьей гармоники. Если речь идет о волнах на различных частотах в квадратично-нелинейной среде, то имеются в виду волны при трехчастотном взаимодействии, ω1+ω2 = ω3, и, в первую очередь, волны на основной ω и удвоенной 2ω частотах.
К разнонаправленным связанным волнам относятся: волны в резонаторе Фабри-Перо, проходящая и отраженная волны в волноводе с распределенной обратной связью за счет периодической структуры, например, в виде решетки, волны на различных частотах при встречном четырехволновом взаимодействии. При взаимодействии этих волн в кубично-нелинейной среде реализуются оптические бистабильные элементы.
Способ переключения основан на нелинейном взаимодействии ОРСВ, или на оптической бистабильности нелинейного волновода с распределенной обратной связью, или на оптической бистабильности резонатора Фабри-Перо. В последних двух случаях происходит переключение мощности между противоположно направленными связанными волнами. Способ осуществляется за счет резкого перераспределения мощности между взаимодействующими (связанными) волнами в нелинейном оптическом волноводе или в нелинейных ТСОВ. 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 или нелинейных ТСОВ должны распространяться по крайней мере две связанные волны. Поскольку одна из связанных волн может иметь коэффициент поглощения больше, чем другая, должно выполняться следующее условие: длина оптического нелинейного волновода или нелинейных ТСОВ, необходимая для эффективного переключения, не должна превосходить длину, на которой мощность каждой из взаимодействующих ОРСВ (например, имеющих различную поляризацию) уменьшается в e2 раз.
Переключение, усиление или модуляция достигается за счет изменения коэффициента передачи мощности из одной связанной волны в другую в нелинейной среде вследствие нелинейного изменения показателя преломления нелинейной среды при изменении интенсивности излучения в нелинейном волноводе. Чем выше кубично- и/или квадратично-нелинейные коэффициенты волновода (или волноводов), тем при меньшей входной интенсивности (мощности) достигается режим переключения и усиления. Для этого длины волн вводимых оптических излучений следует выбирать близкими к длине волны экситонного резонанса λr для достижения максимального кубично- и/или квадратично-нелинейного коэффициента волноводов. Однако технически очень сложно изготовить полупроводниковую структуру нелинейного волновода, имеющую длину волны экситонного резонанса, точно соответствующую заданной.
При изменении температуры полупроводниковой структуры нелинейного волновода меняется длина волны экситонного резонанса, обычно из расчета 0,25-0,3 нм/град. Таким образом, может быть достигнута требуемая длина волны, после чего температуру полупроводниковой структуры нелинейного волновода стабилизируют для обеспечения устойчивости работы нелинейного оптического устройства.
Помимо обеспечения максимального нелинейного коэффициента волноводов можно обеспечить большую чувствительность переключателя и модулятора к изменению входной мощности управляющего оптического сигнала, чем к изменению входной мощности накачки. Т.е. дифференциальный коэффициент усиления сигнала будет выше дифференциального коэффициента усиления накачки. Для этого нужно выбрать и установить разность длин волн излучения сигнала и экситонного резонанса меньшей, чем разность длин волн излучения накачки и экситонного резонанса. Тогда нелинейный коэффициент для сигнала будет больше, чем для накачки, и изменение амплитуды и фазы входного сигнала будет оказывать более сильное воздействие на соотношение мощностей переключаемых волн на выходе устройства, чем изменение амплитуды и фазы входного излучения накачки.
Коэффициент передачи мощности из одной волны в другую на заданной длине нелинейного оптического волновода 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 оптическом волноводе используется оптически нелинейная среда - полупроводниковая структура. В качестве нелинейной среды может использоваться многослойная и однослойная структура типа MQW (т.е. структура, содержащая по крайней мере два гетероперехода). В случае двух гетеропереходов полупроводниковая структура называется также SQW (single quantum well) структурой. Для обеспечения нелинейного режима интенсивность излучения накачки должна быть не менее некоторой пороговой величины Iпор, начиная с которой нелинейные эффекты, вызывающие описанные выше явления, становятся существенными. 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: ∂Iкl/∂I00, ∂Iкl/∂I10, превышающее 1,05, где к=0,1 - номер одной из связанных волн, участвующих в переключении, т.е. волн (нулевой или первой), между которыми происходит перераспределение оптической мощности в нелинейном волноводе или нелинейных ТСОВ; в случае переключения ОРСВ различных поляризаций "к" является номером поляризации (например, в случае однонаправленных ортогонально поляризованных волн 0 обозначает одну линейную поляризацию, 1 - ортогональную ей линейную поляризацию; в случае однонаправленных циркулярно поляризованных волн "к" является номером правой или левой циркулярной поляризации); в случае переключения между излучениями на различных частотах "к" является номером частоты; в случае нелинейных ТСОВ "к" - номер волновода, т.к. каждая из взаимодействующих волн распространяется по своему волноводу; в случае оптического бистабильного элемента на резонаторе Фабри-Перо или оптического бистабильного элемента с распределенной обратной связью "к" является номером волны, идущей в прямом (к=0) или в обратном (к=1) направлении; в случае ОРСВ при Брэгговской дифракции на периодической структуре (в планарном волноводе) "к" является номером проходящей или дифрагированной волны; в случае, когда ОРСВ представляют собой различные волноводные моды "к" является номером моды.
l - индекс, указывающий, что интенсивность относится к излучению на выходе нелинейного оптического волновода; при этом буква l символизирует длину нелинейного волновода или длину туннельной связи нелинейных ТСОВ, т.е. значение интенсивности берется при координате z=1,
второй индекс 0 у I00 и I10 указывает, что интенсивность относится к излучению на входе нелинейного волновода (или ТСОВ), т.е. при z=0.
Хотя способ может иметь применение при превышении пороговой интенсивности, наибольший интерес он представляет вблизи критической интенсивности, соответствующей так называемой средней точке самопереключения М. 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).
Например, в простейшем случае ввода излучения в один из идентичных кубично-нелинейных ТСОВ критическая интенсивность Iм определяется формулой Iм = 4K/|θ|, а дифференциальный коэффициент усиления в средней точке самопереключения М определяется формулой ∂I0l/∂I00 ≈ -∂I1l/∂I00 ≈ exp(L)/8, где L/π = l/lлп - число линейных перекачек мощности, укладывающихся на длине туннельной связи l в линейном режиме; lлп - длина одной линейной перекачки. Например, для фиг. 5 L = 1,4π и в точке М ∂I0l/∂I00 ≈ 10,16. Аналогичные формулы и характеристики переключения и усиления описывают и переключение и усиление других ОРСВ в кубично-нелинейном волноводе, например, переключение и усиление ОРСВ ортогональных или циркулярных поляризаций в двулучепреломляющем или магнитоактивном кубично-нелинейном волноводе.
В общем случае критическую интенсивность можно найти из условия обращения в ноль модуля эллиптических функций, через которые выражаются интенсивности связанных волн на выходе устройства. Она соответствует также автосинхронизации связанных волн на выходе нелинейных волноводов или нелинейных ТСОВ.
Для ОРСВ в кубично-нелинейной среде Iпор, и Iм как правило, пропорциональны K/|θ|, K - коэффициент распределенной связи, θ - линейный коэффициент волноводов. Для кубично-нелинейных ТСОВ К - коэффициент туннельной связи волноводов, а θ = (θ0+θ1)/2 - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов. В случае ОРСВ различных поляризаций в двулучепреломляющем нелинейном оптическом волноводе Iпор и Iм пропорциональны |ne-no|/|θ|, где ne и no - показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волн.
Наряду с интенсивностью можно оперировать также понятием мощности оптического излучения P, которая однозначно связана с интенсивностью: P= I/Sэфф, где Sэфф - эффективное сечение нелинейного оптического волновода. Поэтому пороговой интенсивности Iпор соответствует пороговая мощность Pпор, а критической интенсивности Iм соответствует критическая мощность излучения Pм.
Расчеты и эксперименты показали, что при изменении параметров сигнального оптического излучения, например интенсивности или фазы, и достижении значения мощности накачки выше порогового происходит переключение излучения из одной волны в другую - из нулевой волны в первую или наоборот (т.е. резкое изменение соотношения между интенсивностями различных волн на выходе нелинейного волновода или нелинейных ТСОВ), и на выходе устройства появляется усиленный информационный сигнал. За счет указанного изменения соотношения интенсивностей волн можно также осуществлять модуляцию, т.е. вносить информацию в когерентное оптическое излучение.
При этом излучение накачки и сигнальное излучение могут быть как одинаковой частоты и поляризации, так и различных частот (длин волн) или различаться поляризацией.
Кроме того, как сигнальное излучение, так и излучение накачки может быть в виде солитонов.
В кубично-нелинейном волноводе при изменении на входе интенсивности сигнального излучения, частота которого отличается от частоты излучения накачки, также может происходить переключение излучения. Таким образом можно осуществить резкий переброс мощного излучения заданной частоты на выходе малым изменением мощности слабого излучения другой частоты. При этом на выходе потребуется фильтрация излучения для выделения усиленного управляющего или информационного сигнала на частоте накачки.
В квадратично-нелинейной среде при определенных условиях малое изменение интенсивности сигнала на входе вызывает резкое переключение излучения на выходе с одной частоты на другую. Как правило, излучение накачки в этом случае имеет частоту ω или 2ω при частоте сигнального излучения соответственно 2ω или ω.
В квадратично-нелинейных ТСОВ при определенных условиях, также как и в кубично-нелинейных, возможно также переключение излучения на выходе из одного волновода в другой ТСОВ.
Быстородействие устройств, реализующих способ переключения, усиления 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, 1980 г., с. 1596-1598) и частично за счет двулучепреломления каждого нелинейного волновода.
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 слоистую структуру GaAs/AlAs; 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 нелинейного волновода.
Можно применять температурную, 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 нелинейных волноводов.
Помимо изменения интенсивности сигнала на входе переключение, усиление и модуляция могут осуществляться изменением частоты или изменением поляризации сигнала, поскольку коэффициент передачи мощности из одной волны в другую зависит от коэффициента распределенной связи связанных волн, который, как правило, 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 полупроводниковой MQW-структуры, т.е. осью эллипса показателя преломления в поперечном сечении нелинейного волновода ("быстрой" или "медленной" осью), происходит изменение показателей преломления нелинейных волноводов, что и приводит к изменению коэффициента туннельной связи. Переключение, усиление и модуляция оптического излучения могут достигаться за счет изменения разности показателей преломления нелинейного волновода (или нелинейных ТСОВ) путем изменения внешнего электрического или магнитного поля, приложенного по крайней мере к одному нелинейному волноводу.
Переключать, усиливать 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 распределенной связи между волнами.
Изменять длину волны излучения лазера можно меняя температуру полупроводниковой структуры лазера с помощью изменения тока через элемент Пельте, который находится в тепловом контакте с полупроводниковой структурой лазера. Таким образом, можно точно настраиваться на длину волны экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного волновода или нелинейных ТСОВ, тем самым достигая рекордно высоких нелинейных коэффициентов и, следовательно, рекордно малых пороговых мощностей.
Переключение излучения достигается также изменением фазы излучения сигнала на входе нелинейных волноводов (или фазы излучения накачки). При этом интенсивность сигнала может не меняться. Сильное влияние фазы на перераспределение мощности между нелинейными волноводами обусловлено интерференцией излучений сигнала и накачки на входе и зависимостью результирующей интенсивности от входной разности фаз сигнала и накачки.
Способ переключения, усиления и модуляции может осуществляться также малой модуляцией одного пучка достаточно мощного излучения (со средней мощностью выше пороговой). 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 нелинейном волноводе; в случае модуляции частоты или поляризации излучения - за счет изменения коэффициента распределенной связи ОРСВ в нелинейном волноводе или нелинейных ТСОВ, а также за счет изменения разности эффективных показателей преломления ОРСВ.
При изменении температуры полупроводниковой структуры нелинейного волновода можно настроиться на любой нужный участок характеристики (фиг. 5), например, на середину линейного участка характеристики, соответствующей критической интенсивности. Для логических устройств или других управляющих элементов может быть выбран другой участок характеристики, например, точки M0, M1, где дифференциальный коэффициент равен нулю, но подача малых логических сигналов может изменять коэффициент передачи каждой из ОРСВ со значения, близкого к нулю, до значения, близкого к единице (логические "0" и "1").
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"). Этот выбор можно осуществлять за счет выбора температуры полупроводниковой структуры нелинейного волновода или нелинейных ТСОВ и/или температуры излучающей полупроводниковой структуры лазера. Для логического элемента "И" величина сигналов и ширина участка усиления (фиг. 5) 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.
Управляющий элемент может выполнять также функции стабилизатора, т.е. устройства, уменьшающего шумы на входе. При этом выбирается участок характеристики, на котором дифференциальный коэффициент усиления близок к нулю (фиг. 5).
Длина волны излучения, как правило, выбирается близкой к длине волны экситонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре, т. к. при этом максимален нелинейный коэффициент (как кубичный, так и квадратичный) волновода, и, следовательно, переключение связанных волн обеспечивается при наименьших пороговой и критической мощностях. Выбор величины отклонения длины волны излучения от длины волны экситонного резонанса связан с выбором требуемой величины нелинейного коэффициента волновода. Однако поглощение излучения на длине волны экситонного резонанса очень велико. Поэтому через нелинейный 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 энергетических уровней в полупроводниковой структуре нелинейного оптического волновода 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 нелинейный волновод.
В способе переключения, усиления, модуляции и управления осуществляется стабилизация длины волны экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейных волноводов путем стабилизации ее предварительно выбранной и установленной температуры.
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.
Достижение требуемой длины волны экситонного резонанса может быть проконтролировано по выходным параметрам, в частности, по величине дифференциального коэффициента усиления и/или глубине переключения.
Нелинейный оптический волновод 1 выполнен на основе нелинейно-оптической полупроводниковой структуры типа MQW, содержащей по крайней мере два гетероперехода, на которой закреплены контактные металлические пластины 2 и 3 для пропускания через структуру нелинейного волновода тока в поперечном по отношению к слоям структуры направлении. Нижняя контактная пластина установлена непосредственно или через промежуточные элементы на элементе Пельтье или элементах Пельтье 4, электрически соединенном с регулятором температуры 5, который может быть выполнен с возможностью стабилизации температуры. Вместо регулятора может использоваться стабилизатор температуры. Регулировка и стабилизация температуры может осуществляться с помощью датчиков температуры, находящихся в тепловом контакте с нелинейным оптическим волноводом и с одной из пластин элемента Пельте. В качестве датчиков (сенсоров) температуры могут использоваться термисторы, и/или термопары, и/или датчики, выполненные на основе интегральных схем, например, AD 590 или LM 335. Для рассеивания избыточного тепла может применяться радиатор 6. Как правило, для удобства работы устройство снабжают индикаторами температуры и тока, в качестве которых могут, например, использоваться цифровые вольтметры, в которых значения температуры и тока отображаются на жидкокристаллических индикаторах.
На фиг. 4 показаны также крепежные теплопроводящие детали 7 и 8, выполненные из металла.
Пропускаемый через структуру нелинейного волновода электрический ток регулируют при помощи регулятора тока 9, который может быть выполнен с возможностью стабилизации тока. Вместо регулятора может использоваться стабилизатор тока.
В устройстве могут использоваться два нелинейных оптических волновода, например, в виде ТСОВ (фиг.2б и 3б). В этом случае регулирование и/или стабилизация температуры полупроводниковых структур нелинейных волноводов, а также регулирование и/или стабилизация тока, пропускаемого через структуры нелинейных волноводов, может производиться для двух нелинейных оптических волноводов одновременно. Устройство может быть выполнено в виде единого модуля 10, содержащего нелинейный оптический волновод 1 и входной и выходной объективы, включающие цилиндрические линзы 11 и граданы 12, а также диафрагму 13; либо в виде единого модуля 10 с входным 14 и выходным 15 волноводами, состыкованными с торцами нелинейного оптического волновода и полупроводниковым лазером 16, выполняющим функцию источника накачки. В этом случае входной волновод может быть выполнен в виде Y-соединителя, во вторую ветвь которого может подаваться сигнальное излучение. Выходной волновод может быть выполнен в виде Y-разветвителя или ТСОВ. На концах волноводов могут быть выполнены линзы 17.
Выполнение устройства в виде единого модуля достигается благодаря, во-первых, возможности установки и юстировки элементов ввода и/или вывода относительно нелинейного оптического волновода по люминесцентному излучению нелинейного оптического волновода, возникающему при пропускании через него электрического тока; во-вторых, включение и выключение тока меняет коэффициент пропускания излучения через нелинейный оптический волновод, и, тем самым, является критерием эффективности ввода излучения в нелинейный оптический волновод. Кроме того, излучение, выходящее из нелинейного волноводного модуля, позволяет точно ввести излучение лазера в нелинейный волноводный модуль, а включение и выключение тока через нелинейный волновод, вызывающие изменение коэффициента пропускания излучения через нелинейный волдновод, позволяет проконтролировать точность и эффективность ввода излучения лазера в нелинейный оптический волновод.
В нелинейном оптическом волноводе может быть выполнена периодическая решетка с образованием оптического бистабильного элемента с распределенной обратной связью, благодаря которой волны, идущие в разных направлениях, взаимодействуют между собой.
На торцах нелинейного оптического волновода могут быть выполнены отражатели например, интерференционные, с образованием оптического бистабильного элемента в виде резонатора Фабри-Перо.
Полупроводниковая структура лазера 16 может также находиться в тепловом контакте по крайней мере с одним элементом Пельтье (с одной из его пластин), электрически соединенном с регулятором температуры, который может быть выполнен с возможностью стабилизации температуры. Это позволяет регулировать и/или стабилизировать длину волны излучения лазера, т.е., например, длину волны излучения накачки.
В случае использования излучений различных частот или поляризаций на выходе нелинейного волновода или нелинейных ТСОВ устанавливаются разделители излучений 18. Оптический разделитель излучений представляет собой дисперсионный элемент, например дифракционную решетку, или призму, или фильтр, например интерференционный. Оптический элемент для разделения излучений различных длин волн может быть также выполнен в виде дополнительного направленного ответвителя. В устройстве, в котором требуется разделение различных поляризаций, разделитель представляет собой поляроид, или поляризационную призму, или двоякопреломляющую призму, или направленный ответвитель. В случае использования выходных волноводов оптический элемент для разделения различных поляризаций может быть выполнен в виде направленного ответвителя, разделяющего поляризацию, либо одиночного волновода, преимущественно поглощающего волну одной поляризации.
Пример. Нелинейный оптический волновод расположен на контактной пластине из безкислородной меди, установленной на медном цилиндре, который с помощью крепежного фланца 7 устанавливался на хладопровод 8, представляющий металлическую пластинку (например, из алюминия, меди, латуни, дюрали, стали и т. д.) толщиной 2 мм с отверстием в середине, через которое пропущены электрические проводки. С помощью этих проводков через нелинейный оптический волновод пропускался электрический ток порядка 10 мА. К хладопроводу 8 были прикреплены датчики (сенсоры) температуры, находящиеся в тепловом контакте с ним. В качестве температурных датчиков (сенсоров) могут применяться термисторы и/или термопары (RTD) и/или датчики, выполненные на основе интегральных схем, например, типа AD590 и/или LMT335. Хладопровод 8 находился в тепловом контакте как с нелинейным волноводом, так и с одной из пластин (контактов) элементов Пельтье, например, с верхней (условно говоря, "холодной") пластиной. Для улучшения теплового контакта между различными контактирующими элементами (например, фланцем 7 и хладопроводом 8) контактирующие поверхности можно смазывались теплопроводящей пастой, например, типа КТП-8. В рассмотренном примере применялись два элемента Пельтье, а в качестве температурных датчиков - два термистора (имеющих сопротивление 15 кОм при 20oC). Один из этих датчиков применялся в цепи обратной связи стабилизатора температуры, а второй использовался как датчик температуры схемы индикации температуры. Другая (условно - "горячая") пластина (контакт) элемента Пельтье находилась в тепловом контакте с радиатором тепла и была укреплена на юстировочном столике из стали. Толщина элементов Пельтье составляла 2 мм. Для термоизоляции, электроизоляции и изоляции от вибраций "горячей" поверхности Пельтье от "холодной" использовались тефлоновые амортизаторы в виде шайб. Ток через элемент Пельтье был порядка 100 мА, отводимая мощность была меньше 1 Вт. Благодаря радиатору температура элементов Пельтье была значительно меньше предельно допустимой температуры в 160o. Рассмотренное устройство позволяло изменять и стабилизировать температуру двулучепреломляющего нелинейного оптического волновода с точностью до 0,005o.
При изменении температуры нелинейного волновода длина волны экситонного резонанса MQW - структуры (содержащей не менее двух гетеропереходов) изменялась примерно из расчета 0,3 нм/град.
Применяемый в качестве усилителя рассмотренный элемент имеет преимущество по сравнению с полупроводниковыми квантовыми усилителями, основанными на инверсии населенностей и требующими пропускания больших токов (порядка 100 мА и выше), необходимых для создания существенной инверсии населенностей. В изобретенных переключателях усиление - дифференциальное - достигается не за счет инверсии, а в результате резкого перераспределения мощности между связанными волнами, в частности между ОРСВ и поэтому ток через структуру в 2-10 раз меньше, чем в "инверсных" усилителях. Это создает дополнительную перспективу для объединения предложенных переключателей в логические схемы.
Рассмотренное изобретение, помимо прочего, может обеспечить большую чувствительность переключателя и модулятора к изменению входной мощности управляющего оптического сигнала, чем к изменению входной мощности накачки. Т.е. дифференциальный коэффициент усиления сигнала будет выше дифференциального коэффициента усиления накачки. Для этого нужно выбрать и установить разность длин волн излучения сигнала и экситонного резонанса, меньшей, чем разность длин волн излучения накачки и экситонного резонанса. Тогда нелинейный коэффициент для сигнала будет больше, чем для накачки, и изменение амплитуды и фазы входного сигнала будет оказывать более сильное воздействие на соотношение мощностей переключаемых волн на выходе, чем изменение амплитуды и фазы входного излучения накачки.
Сущность изобретения: способ осуществляется с использованием по крайней мере одного нелинейного волновода и включает ввод оптического излучения в один кубично- и/или квадратично-нелинейный волновод, переключение однонаправленных или разнонаправленных связанных волн при изменении по крайней мере одного из параметров на входе и разделение и/или выделение излучений на выходе. Длину волны оптического излучения выбирают из условий 0,5λr≤λ≤1,5λr где λr - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса в полупроводниковой структуре нелинейного оптического волновода. Температуру полупроводниковой структуры оптического волновода устанавливают из условия обеспечения заданной величины пороговой интенсивности, и/или критической интенсивности, и/или дифференциального коэффициента усиления и стабилизируют температуру нелинейного волновода. Нелинейный оптический волновод выполнен на основе слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода. Элемент Пельтье электрически соединен с регулятором и/или стабилизатором температуры и находится в тепловом контакте с каждым нелинейным оптическим волноводом. Снижена мощность накачки на входе устройства, повышен коэффициент дифференциального усиления и глубины переключения. 2 с. и 42 з.п. ф-лы, 5 ил.
5. Способ переключения, модуляции, усиления и управления по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что производят переключение мощности между однонаправленными или разнонаправленными связанными волнами.
| R.Jin, Picosecond all-optical switehing in singlemode GaAs/AlGaAs strip-loaded nonlinear directional couplers, Appl | |||
| Phys | |||
| Lett., 1977, 53(19), p | |||
| Паровой двигатель с качающимся крыльчатым поршнем | 1925 |
|
SU1791A1 |
| Тамир Т | |||
| Волноводная оптоэлектроника | |||
| М.: Мир, 1991, с | |||
| Ускоритель для воздушных тормозов при экстренном торможении | 1921 |
|
SU190A1 |
| US 5452383 A, 19.09.95 | |||
| DE 4432794 A1, 21.03.96. | |||
