Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, а точнее к области полностью оптических переключателей, модуляторов и оптических транзисторов, и может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи, в оптических логических схемах и в других областях техники, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция и усиление излучения.
Известны способ и устройство переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) [1]. Способ заключается в переключении или модуляции излучений, распространяющихся в виде различных волноводных мод в нелинейном оптическом волноводе, выполненном в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями. Переключение или модуляция достигается за счет изменения коэффициента передачи энергии из одной волны в ортогональную в нелинейной среде при изменении интенсивности излучения на входе волновода. Длины волн излучений выбираются близкими к длине волны экситонного резонанса λr для обеспечения максимального кубично-нелинейного коэффициента волноводов. В указанном способе пропускание нелинейного оптического волновода на рабочей длине волны мало, что обусловлено максимальным коэффициентом поглощения материала волновода на длине волны экситонного резонанса. По экспериментальным данным, приведенным в [2], пропускание нелинейного оптического волновода составляет 1%. Малое пропускание нелинейного оптического волновода и отсутствие возможности управления процессом переключения ограничивает область применения способа. Недостатком является также невозможность переключения и модуляции при изменении различных параметров входного излучения - поляризации, фазы, длины волны.
Устройство, реализующее указанный способ, включает нелинейный волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями. На входе и выходе волновода установлены микрообъективы. Помимо отмеченных выше недостатков, такой оптический переключатель вносит потери, обусловленные недостатками коллимирующей оптики на входе и выходе, не учитывающей форму сечения волновода. Недостатками являются также сложность установки и закрепления микрообъективов относительно волновода и недостаточная компактность устройства.
Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству является способ переключения ОРСВ и устройство для его осуществления [3]. Способ включает ввод оптического излучения накачки и сигнального излучения различных поляризаций в нелинейный оптический волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, с возможностью распространения в нем ОРСВ различных (ортогональных) поляризаций. Переключение осуществляется за счет взаимодействия ОРСВ различных (ортогональных) поляризаций (TE- и TM-волн) в кубично-нелинейной среде. При использовании данного способа либо возникают большие потери в случае близости длин волн излучений к длине волны экситонного резонанса, либо, при выборе другой длины волны, возрастает величина пороговой интенсивности излучения. Недостатком является также невозможность переключения и модуляции при изменении различных параметров входного излучения, т.е. ограниченность области применения способа.
Устройство для осуществления способа содержит нелинейный оптический волновод, выполненный в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, например, GaAs/AlxGa1-xAs, и расположенный на выходе волновода оптический элемент для разделения ОРСВ.
Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности управления процессом переключения, ограниченность области применения и большие потери, обусловленные отсутствием компактной и адекватной сечению волновода фокусирующей и коллимирующей оптики на входе и выходе.
Технической задачей изобретения является резкое снижение мощности накачки на входе системы с одновременным повышением дифференциального коэффициента усиления (т. е. чувствительности устройств) и глубины переключения, а также достижение компактности и надежности устройства. Кроме того, технической задачей изобретения является обеспечение возможности управления процессом переключения и расширение области применения.
В первом варианте поставленная задача решается тем, что в способе переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения, осуществляемом с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой квантоворазмерной полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем нелинейный оптический волновод выполнен с возможностью распространения в нем по крайней мере двух однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций, включающем ввод поляризованного оптического излучения в нелинейный волновод, взаимодействие однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций в нелинейном оптическом волноводе и разделение волн ортогональных поляризаций на выходе системы, оптическое излучение поляризовано линейно, с ориентацией вектора электрического поля оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, под углом 10o< α <80o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, или эллиптически, с ориентацией оси эллипса поляризации под углом 10o< α <80o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, устанавливают среднюю мощность вводимого в нелинейный оптический волновод оптического излучения на входе волновода выше пороговой из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления и/или заданного соотношения мощностей и/или разности фаз связанных волн на выходе и стабилизируют среднюю мощность, а при вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение мощности или поляризации оптического излучения на входе нелинейного оптического волновода, при этом длину волны излучения выбирают из условия 0,8λr< λ < 1,2λr, где λr - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного оптического волновода, имеющего длину не меньшую длины, необходимой для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, причем длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, не превосходит длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций уменьшается в 20 раз, при этом через нелинейный оптический волновод пропускают электрический ток, причем температуру нелинейного оптического волновода устанавливают из условия обеспечения заданной величины пороговой мощности, и/или критической мощности, и/или дифференциального коэффициента усиления, и/или соотношения мощностей связанных волн ортогональных поляризаций, и/или разности фаз между ними на выходе нелинейного оптического волновода, и стабилизируют температуру нелинейного оптического волновода, по крайней мере один из торцов которого просветлен.
В частности, вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 40o< α <50o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.
Эффективное переключение достигается в случае, когда вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 45o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.
Как правило, электрический ток пропускают в направлении, перпендикулярном слоям полупроводниковой структуры типа MQW.
Как правило, пропускают постоянный электрический ток, разброс значений которого от среднего по времени значения не превышает 0,1 мА.
Как правило, электрический ток, пропускаемый через нелинейный оптический волновод, от 0,5 мА до 10 мА.
Разность фаз между однонаправленными распределенно-связанными волнами ортогональных поляризаций устанавливают из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления, и/или заданного соотношения мощностей, и/или разности фаз ОРСВ на выходе нелинейного оптического волновода.
Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучения в нелинейный оптический волновод излучение фокусируют и/или после прохождения им волновода излучение коллимируют с помощью цилиндрической линзы и/или градана, при этом поверхности цилиндрических линз и/или граданов могут быть просветлены; либо ввод излучения в нелинейный оптический волновод и/или вывод излучений из нелинейного оптического волновода осуществляют посредством входного и/или выходного оптического волновода, при этом на входном и/или выходном торце входного и/или выходного оптического волновода может быть выполнена параболическая или цилиндрическая или коническая линза и/или установлен градан, а входные и/или выходные торцы волноводов и/или граданов просветлены.
В частном случае используют оптическое излучение в виде импульсов, например, в виде солитонов.
Во втором варианте способа переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения, осуществляемого с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой квантоворазмерной полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем нелинейный оптический волновод выполнен с возможностью распространения в нем по крайней мере двух однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций, и включающего ввод поляризованного оптического сигнального излучения и поляризованного оптического излучения накачки с мощностью выше пороговой в нелинейный оптический волновод, взаимодействие однонаправленных распределенно-связанных волн различных поляризаций в нелинейном волноводе и разделение волн ортогональных поляризаций на выходе системы, оптическое излучение накачки и/или сигнальное излучение поляризовано линейно, с ориентацией вектора электрического поля оптического излучения накачки и/или сигнального излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод под углом 10o< α <80o к "быстрой" и/или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, или эллиптически, с ориентацией оси эллипса поляризации под углом 10o< α <80o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода, устанавливают мощность вводимого в нелинейный оптический волновод оптического излучения накачки на входе нелинейного оптического волновода выше пороговой из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления и/или заданного соотношения мощностей и/или разности фаз связанных волн на выходе и стабилизируют мощность накачки, а при вводе сигнального излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение мощности, или поляризации, или фазы сигнального излучения, или разности фаз сигнального излучения и излучения накачки на входе нелинейного оптического волновода, при этом длину волны излучения накачки и/или сигнального излучения выбирают из условия 0,8λr< λ < 1,2λr, где λr - длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного оптического волновода, имеющего длину не меньшую длины, необходимой для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, причем длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, не превосходит длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций уменьшается в 20 раз, при этом через нелинейный оптический волновод пропускают электрический ток, причем температуру нелинейного оптического волновода устанавливают из условия обеспечения заданной величины пороговой мощности, и/или критической мощности, и/или дифференциального коэффициента усиления, и/или соотношения мощностей связанных волн, и/или разности фаз между ними на выходе, и стабилизируют температуру нелинейного волновода, по крайней мере один из торцов которого просветлен.
В частности, вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 40o< α <50o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.
Эффективное переключение достигается в случае, когда вектор электрического поля вводимого в нелинейный волновод оптического излучения или ось эллипса поляризации направлена под углом 45o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода.
Как правило, электрический ток пропускают в направлении, перпендикулярном слоям полупроводниковой структуры типа MQW.
Как правило, пропускают постоянный электрический ток, разброс значений которого от среднего по времени значения не превышает 0,1 мА.
Как правило, электрический ток, пропускаемый через нелинейный оптический волновод, от 0,5 мА до 10 мА.
Для осуществления переключения двух или более сигнальных излучений в режиме логических операций "И", "ИЛИ" одновременно с вводом сигнального излучения осуществляют ввод еще по крайней мере одного сигнального излучения, причем у всех сигнальных излучений переменными являются одни и те же параметры.
Как правило, мощность излучения накачки по крайней мере на порядок больше мощности сигнального излучения.
В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение с мощностями, отличающимися от их среднего геометрического значения не более, чем на порядок.
В случае использования сигнального излучения и излучения накачки с разными длинами волн несущие частоты сигнального излучения и излучения накачки различаются на величину большую, чем t-1, где t - характерное время изменения сигнала.
В случае использования сигнального излучения и излучения накачки с одинаковыми длинами волн несущие частоты сигнального излучения и излучения накачки различаются на величину меньшую, чем t-1, где t - характерное время изменения сигнала.
В частном случае, векторы поляризации сигнального излучения и излучения накачки совпадают.
В другом частном случае векторы поляризации сигнального излучения и излучения накачки не совпадают.
В частном случае используют излучение накачки и сигнальное излучение с линейной взаимно ортогональной поляризацией или с эллиптической поляризацией с ортогональными большими осями эллипсов поляризации.
Разность фаз между однонаправленными распределенно-связанными волнами ортогональных поляризаций устанавливают из условия обеспечения заданной величины дифференциального коэффициента усиления.
Для повышения эффективности ввода-вывода излучений перед вводом излучений в нелинейный оптический волновод излучение фокусируют и/или после прохождения ими волновода излучения коллимируют с помощью цилиндрической линзы и/или градана, при этом поверхности цилиндрических линз и/или граданов могут быть просветлены; либо ввод излучений в нелинейный волновод и/или вывод излучений из волновода осуществляют посредством входного и/или выходного оптического волновода, при этом на входном и/или выходном торце входного и/или выходного оптического волновода может быть выполнена параболическая или цилиндрическая или коническая линза и/или установлен градан, а входные и/или выходные торцы волноводов и/или граданов просветлены.
В частном случае используют оптическое излучение в виде импульсов, например, в виде солитонов.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения, содержащем нелинейный оптический волновод, выполненный на основе слоистой квантоворазмерной полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, причем нелинейный волновод выполнен с возможностью распространения в нем по крайней мере двух однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций, и оптический элемент для разделения однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций на выходе устройства, слоистая полупроводниковая структура выполнена так, что в ней длина волны однофотонного и/или двухфотонного экситонного резонанса λr удовлетворяет неравенству 0,8λr< λ < 1,2λr, где λ - длина волны оптического излучения, нелинейный оптический волновод ориентирован относительно вектора поляризации оптического излучения таким образом, что векторы электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, направлены под углом 10o< α <80o к "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного оптического волновода, имеющего длину не меньшую длины, необходимой для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, при этом длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения и/или перекачки по крайней мере 10% мощности из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации, не превосходит длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из однонаправленных распределенно-связанных волн ортогональных поляризаций уменьшается в 20 раз, при этом входной и/или выходной торцы нелинейного оптического волновода имеют просветляющие покрытия, нелинейный оптический волновод снабжен контактами для пропускания электрического тока через него, при этом устройство оптические элементы ввода и/или вывода, расположенные соответственно на входе и/или выходе нелинейного оптического волновода, причем элементы ввода и/или вывода и нелинейный оптический волновод выполнены в виде единого модуля, при этом элементы ввода и/или вывода установлены относительно нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой их юстировкой по люминесцентному излучению нелинейного оптического волновода, возникающему при пропускании через него электрического тока, в устройство дополнительно введен по крайней мере один элемент Пельтье, одна из пластин которого находится в тепловом контакте с нелинейным оптическим волноводом и по крайней мере одним датчиком температуры, при этом датчики температуры и элемент Пельтье электрически соединены с регулятором температуры и/или стабилизатором температуры.
В частности, просветляющее покрытие на торцах нелинейного оптического волновода выполнено снижающим коэффициент отражения излучения от входного и/или выходного торца до величины не более 1%.
Устройство может быть снабжено источником тока, соединенным с электрическими контактами нелинейного оптического волновода.
Как правило, источник тока является источником постоянного тока, разброс значений которого от среднего по времени значения не превышает 0,1 мА.
Как правило источник тока выполнен с обеспечением величины тока, пропускаемого через нелинейный оптический волновод, от 0,5 мА до 10 мА.
Как правило, контакты выполнены на слоистой полупроводниковой структуре таким образом, что направление тока, пропускаемого через нелинейный оптический волновод, перпендикулярно слоям.
В частности нелинейный волновод ориентирован относительно вектора поляризации оптического излучения таким образом, что векторы электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, направлены под углом 40o< α <50 к "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного волновода.
Эффективное переключение достигается в том случае, когда нелинейный волновод ориентирован относительно вектора поляризации оптического излучения таким образом, что векторы электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, направлены под углом 45o к "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного волновода.
Для повышения эффективности ввода-вывода излучений, элементы ввода и/или вывода выполнены в виде цилиндрической линзы и/или градана, при этом поверхности цилиндрических линз и/или граданов могут быть просветлены; либо элементы ввода и/или вывода выполнены в виде входного и/или выходного оптического волновода, при этом на входном и/или выходном торце входного и/или выходного оптического волновода может быть сформирована параболическая или цилиндрическая или коническая линза и/или установлен градан, а входные и/или выходные торцы волноводов и/или граданов просветлены.
В частных случаях выполнения устройства с обеспечением его компактности единый модуль дополнительно содержит полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль в качестве источника излучения накачки, средняя мощность которого не ниже пороговой мощности, и/или полупроводниковый лазер с модулируемой выходной мощностью излучения, при этом полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль установлен относительно нелинейного волновода с точностью, обеспечиваемой его юстировкой по люминесцентному излучению нелинейного оптического волновода, возникающему при пропускании через него электрического тока, а также контролем изменения мощности оптического излучения, пропускаемого через нелинейный оптический волновод при включении и выключении электрического тока.
Для повышения стабильности длины волны излучения полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль выполнен с внешним резонатором и/или включает дисперсионный элемент.
В частности, в качестве по крайней мере одного из зеркал внешнего резонатора используется периодическая решетка, представляющая собой частично или полностью отражающий Брэгговский отражатель.
В частности, полупроводниковый лазер и/или лазерный модуль соединен с нелинейным оптическим волноводом посредством элемента ввода, выполненным в виде входного волновода.
При этом зеркало внешнего резонатора полупроводникового лазера и/или лазерного модуля, включающего полупроводниковый лазер и волновод, может быть выполнено в виде периодической решетки показателя преломления примыкающего к лазеру волновода, выполненного в виде световода, или в виде гофра на поверхности волновода, примыкающего к лазеру.
Для объединения сигнального излучения и излучения накачки устройство содержит смеситель излучения накачки и по крайней мере одного сигнального излучения, установленный на входе устройства.
В частности, смеситель выполнен в виде волноводного соединителя, выходная ветвь которого является входным волноводом.
В частности, волноводный соединитель выполнен в виде по крайней мере одного Y-соединителя или направленного ответвителя.
В частности, полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев Si/GexSi1-x или GaAs/AlxGa1-xAs или In1-xGaxAsyP1-y/GaAs или GaxIn1-xAs/GaAs или InxGa1-xAs/InP или In1-xGaxAsyP1-y/In1-x' Gax'Asy'P1-y', где x'≠x и/или y'≠y, или чередующихся слоев других полупроводниковых материалов.
Для уменьшения эллиптичности оптического излучения и обеспечения возможности поворота вектора поляризации вводимого в волновод излучения перед нелинейным оптическим волноводом установлен поляризатор.
В частных случаях оптический элемент для разделения излучений различных поляризаций и/или поляризатор, установленный перед нелинейным оптическим волноводом, выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или направленного ответвителя, разделяющего поляризацию, или поляризатора на основе одиночного оптического волновода.
В других частных случаях оптический элемент для разделения излучений различных поляризаций совмещен с нелинейным оптическим волноводом за счет выполнения нелинейного оптического волновода с различными коэффициентами поглощения для волн различных.
Для исключения обратного влияния отраженного от поверхностей оптических элементов излучения на лазер перед входом нелинейного волновода установлен оптический изолятор, который также может выполнять функцию поляризатора.
В частности, установленный перед входом нелинейного волновода оптический изолятор выполнен волноводным.
Для обеспечения требуемой разности фаз между ОРСВ ортогональных поляризаций на входе и/или выходе нелинейного волновода установлен фазовый компенсатор.
В частности, установленный на входе и/или выходе нелинейного волновода фазовый компенсатор выполнен волноводным.
Дополнительно на входе и/или выходе нелинейного волновода может быть установлена диафрагма и/или кварцевый кубик.
Для обеспечения ориентации вектора электрического поля линейно поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, или оси эллипса поляризации эллиптически поляризованного оптического излучения, вводимого в нелинейный оптический волновод, под заданным углом "быстрой" и/или "медленной" осям нелинейного волновода полупроводниковый лазер, и/или нелинейный оптический волновод с элементами ввода и вывода излучения, и/или разделитель однонаправленных распределенно-связанных волн на выходе устройства, и/или поляризатор, установленный на входе нелинейного волновода, и/или оптический изолятор соединены между собой оптическими волоконными разъемами, обеспечивающими возможность поворота упомянутых элементов относительно друг друга вокруг оптической оси устройства.
На фиг 1. показана ориентация векторов X, Y относительно "быстрой" и "медленной" осей X', Y' нелинейного волновода.
На фиг.2 изображено распределение эффективного показателя преломления в поперечном сечении нелинейного волновода.
На фиг. 3 изображено сечение волновода, выполненное в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями с электрическими контактами.
На фиг. 4 представлена характерная зависимость коэффициента передачи мощности через нелинейный оптический волновод волной одной поляризации, вертикальные линии соответствуют пороговой и критической мощности.
На фиг. 5 схематически изображено нелинейное оптическое устройство на основе квантоворазмерной структуры.
На фиг. 6 изображен вариант выполнения нелинейного оптического устройства в виде единого модуля с входными и выходными объективами.
На фиг. 7 и 8 изображены варианты выполнения нелинейного оптического устройства в виде единого модуля с входными и выходными волноводами и полупроводниковым лазерным модулем.
На фиг. 9 и 10 схематически изображены варианты устройства для оптического переключения и модуляции со входами для двух сигнальных излучений.
На фиг. 11 представлено конструктивное выполнение устройства.
На фиг. 12 и 13 представлены фотографии экрана осциллографа, на которых показано усиление слабой регулярной модуляции более чем на два порядка. Исходный сигнал от полупроводникового лазера, имеющий форму меандра, вследствие своей малости, сливается с линией развертки луча осциллографа, и поэтому не показан. Видна "дополнительность" между поляризациями: усиленные меандры имеют разную полярность.
На фиг. 14 представлена фотография экрана осциллографа, на которой также показано усиление слабой регулярной модуляции на два порядка, с использованием относительно мало "шумящих" стабилизаторов тока и температуры лазера; в отличие от предыдущих фотографий использовались поляризатор и оптический изолятор, установленные перед входом нелинейного оптического волновода.
На фиг. 15 изображено поперечное сечение одного из нелинейных оптических волноводов гребешкового типа на основе MQW-структуры, поверхность которого покрыта тонким слоем золота (показано распределение концентрации Ga и Al в направлении, перпендикулярном слоям структуры).
На фиг. 16 изображен вид сверху на один из нелинейных оптических волноводов и видны контактные пластины для закрепления электродов.
На фиг. 17 представлена фотография готового нелинейного оптического модуля; для сравнения размеров показана швейцарская монета 5 франков.
Способ переключения основан на нелинейном взаимодействии ОРСВ и осуществляется за счет резкого перераспределения мощности между ОРСВ ортогональных или эллиптических поляризаций в нелинейном оптическом волноводе. При этом на вход одного нелинейного волновода в одном из вариантов способа подаются сигнальное излучение и излучение накачки. Сигнальное излучение является управляющим или информационным сигналом; излучение накачки вводится в один или оба нелинейных волновода с целью обеспечения нелинейного режима, т.е. достижения величины дифференциального коэффициента усиления изменения интенсивности излучения, существенно отличного от единицы. Как правило, интенсивность сигнального излучения как минимум на порядок меньше интенсивности излучения накачки, однако интенсивности указанных излучений в ряде случаев могут быть соизмеримы.
Для осуществления процесса переключения в нелинейном оптическом волноводе должны распространяться по крайней мере две ОРСВ, которые в данном способе являются волнами линейных или эллиптических ортогональных поляризаций. Поскольку одна из связанных волн может иметь коэффициент потерь (в основном за счет поглощения) больше, чем другая, должно выполняться следующее условие: длина оптического нелинейного волновода, необходимая для переключения, не должна превосходить длину, на которой мощность более сильно поглощаемой из взаимодействующих ОРСВ различных поляризациий уменьшается в 20 раз. Различие в потерях для волн различных поляризаций может быть обусловлено не только анизотропией поглощения непосредственно нелинейного волновода, но и анизотропией поглощения металлической пленки, нанесенной на поверхность нелинейного волновода, а также анизотропией поглощения слоев полупроводниковой структуры с большей проводимостью, примыкающих к нелинейному волноводу.
Иными словами, длина нелинейного волновода l удовлетворяет неравенствам l≥lc≥la, l≥ln≥la, где 
длина, на которой происходит перекачка энергии из волны одной поляризации в волну ортогональной поляризации в линейном режиме при ориентации вектора электрического поля на входе под углом 45o к "быстрой" или "медленной" осям волновода, βe и βo - эффективные показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волн в нелинейном двулучепреломляющем оптическом волноводе; 
длина поглощения, δ - максимальный из коэффициентов поглощения ОРСВ ортогональных поляризаций, 
характерный масштаб нелинейного взаимодействия, так называемая "нелинейная" длина, на которой нелинейная добавка к показателю преломления вызывает набег фазы порядка π/2 (при нулевом коэффициенте линейной связи между волнами). Если lc>>ln, то имеем линейный режим. Если lc<<ln, то перекачка энергии из волны одной поляризации в волну другой поляризации будет незначительной и почти вся мощность на выходе останется в волне с исходной поляризацией. При этом 
критическая интенсивность, при которой "нелинейная" длина 
равна длине перекачки энергии lc, θ - кубично-нелинейный коэффициент волновода. Например, если сильнее поглощается волна с y - поляризацией, то Iy(z) =Iy(z = 0)exp (-zδ/λ). Если мы работаем в области критической интенсивности, где эффект переключения наиболее ярко проявляется, то l≥lc ≅ ln≥la, тогда как в лазере и в лазерных усилителях имеет место обратное неравенство l≤lc≤la.
Как показывают эксперименты, для заметного дифференциального усиления достаточно переключения и/или перекачки минимум 10% мощности, поскольку при дифференциальном усилении малых сигналов (когда мощность излучения накачки на входе много больше мощности сигнала) даже перекачка 10% мощности между ОРСВ может позволить достичь заметного дифференциального коэффициента усиления сигнала на выходе.
При вводе в нелинейный волновод линейно поляризованного излучения (или эллиптически поляризованного излучения) под некоторым углом к "быстрой" и "медленной" осям в нелинейном волноводе распространяются две ОРСВ ортогональных поляризаций с линейным коэффициентом связи. Эффективный обмен энергией в линейном режиме и эффективное переключение мощности между этими ОРСВ в нелинейном режиме наблюдается при вводе в нелинейный волновод излучения, вектор электрического поля которого составляет с "быстрой" и "медленной" осями нелинейного волновода угол, близкий к 45o.
Переключение, усиление или модуляция достигается за счет изменения коэффициента передачи мощности из одной связанной волны в ортогональную в нелинейной среде вследствие нелинейного изменения показателя преломления нелинейной среды при изменении интенсивности вводимого в нелинейный волновод излучения волны. Чем выше кубично- и/или квадратично-нелинейные коэффициенты волновода, 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 экситонного резонанса, 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 волны одной поляризации в ортогональную 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 (фиг.4), 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: 
, превышающее 1,05, где k=0,1 - номер одной из ОРСВ ортогональных поляризаций, участвующих в переключении, т. е. волн (нулевой или первой), между которыми происходит перераспределение оптической мощности в нелинейном волноводе, фактически для ОРСВ различных поляризаций "k" является номером поляризации, т.е. 0 обозначает одну линейную или эллиптическую поляризацию, 1 - ортогональную ей линейную или эллиптическую поляризацию; j=1,2... - порядковый номер частоты излучения, т.е. индекс 1 соответствует частоте ω1, 2 - частоте ω2. Если в нелинейном оптическом волноводе все ОРСВ - одной частоты, то индекс j можно опустить.
l - индекс, указывающий, что интенсивность относится к излучению на выходе нелинейного оптического волновода; при этом буква l символизирует длину нелинейного волновода, т.е. значение интенсивности берется при координате z = l,
s - индекс, обозначающий оптическое сигнальное излучение на входе нелинейного оптического волновода.
второй индекс 0 у I00 и I10 указывает, что интенсивность относится к излучению на входе нелинейного волновода, 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, вводимого в нелинейный волновод, вблизи которой достигаются максимальный дифференциальный коэффициент усиления и линейность усиления (усиление происходит без искажения формы сигнала на выходе).
В частном случае критическая интенсивность Iм оценивается формулой 
а дифференциальный коэффициент усиления в средней точке самопереключения M определяется формулой ∂I0l/∂I00≈ -∂I1l/∂I00≈ exp(L)/8 [6,7], где L/π = l/lc - число линейных перекачек мощности, укладывающихся на длине распределенной связи l в линейном режиме; 
длина одной линейной перекачки.
В общем случае критическую интенсивность можно найти из условия обращения в единицу модуля эллиптических функций [6,7], через которые выражаются интенсивности ОРСВ на выходе устройства.
Для ОРСВ в кубично-нелинейной среде Iпор и Iм, как правило, пропорциональны 
а в квадратично-нелинейной среде пропорциональны 
где χ - квадратично-нелинейный коэффициент волновода. K - коэффициент распределенной связи, пропорциональный 
где ϑ - угол между вектором электрического поля, вводимого в нелинейный двулучепреломляющий оптический волновод и "быстрой" или "медленной" осью этого волновода. В случае ОРСВ различных поляризаций в двулучепреломляющем кубично-нелинейном оптическом волноводе Iпор и Iм пропорциональны 
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 достижении значения мощности накачки выше порогового и изменении параметров сигнального оптического излучения, например, интенсивности или фазы, происходит переключение излучения из волны одной поляризации в ортогональную - из нулевой волны в первую или наоборот (т.е. резкое изменение соотношения между интенсивностями волн различных поляризаций на выходе нелинейного волновода), 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. В случае, если используются излучения различных частот, поляризация которых направлена под углом к "быстрой" и "медленной" осям кубично-нелинейного оптического волновода, на каждой частоте будет пара ОРСВ с линейным коэффициентом связи.
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 накачки на выходе из одной поляризации в ортогональную. Таким образом можно осуществить резкий переброс мощного излучения заданной частоты на выходе из одной поляризации в ортогональную малым изменением мощности слабого излучения другой частоты, а также перенос полезной модуляции с одной частоты на другую. При этом на выходе потребуется фильтрация излучения для выделения усиленного управляющего или информационного сигнала на частоте накачки. Таким образом можно реализовать оптический преобразователь модуляции с одной оптической частоты на ортогональную. Для этого на вход подаются оптический промодулированный сигнал и оптическое излучение накачки (ортогональной частоты), на которую переносится (с большим усилением) модуляция оптического сигнала.
В квадратично-нелинейной среде при определенных условиях малое изменение интенсивности сигнала на входе также может вызывать резкое переключение на выходе излучения одной поляризации в излучение ортогональной поляризации. Как правило, излучение накачки в этом случае имеет частоту ω или 2 2ω при частоте сигнального излучения соответственно 2 ω или ω.
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 [4], который в данном случае достигается вследствие двулучепреломления 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 2 ω можно использовать слоистую структуру GaAs/AlAs; при этом для увеличения двулучепреломления структуры можно AlAs преобразовать в оксид со значительно меньшим показателем преломления.
Синхронизм может обеспечиваться путем периодической модуляции нелинейности и/или эффективного показателя преломления нелинейного волновода. Синхронизм может достигаться также за счет взаимодействия волноводных мод разного порядка на разных частотах.
Можно применять температурную, электрооптическую или механическую настройку в синхронизм.
На выходе нелинейного волновода требуется устройство для разделения излучений ортогональных поляризаций (выделение усиленного сигнала). Функцию разделения излучений различных поляризаций может выполнять сам нелинейный волновод, если поглощение для излучения одной поляризации существенно превышает поглощение излучения ортогональной поляризации.
Переключение, усиление и модуляция могут осуществляться изменением поляризации сигнала, поскольку амплитуды ОРСВ ортогональных поляризаций и их соотношение на входе зависит от ориентации вектора поля вводимого в волновод излучения. Кроме того, коэффициент передачи мощности из одной волны в ортогональную зависит от коэффициента распределенной связи ОРСВ, который, как правило, различен для волн различных поляризаций. Как правило, "быстрая" и "медленная" оси нелинейного волновода совпадают с "быстрой" и "медленной" осями полупроводниковой слоистой MQW- структуры, которые, в свою очередь, ориентированы вдоль слоев и перпендикулярно слоям.
Переключение, усиление и модуляция оптического излучения могут достигаться за счет изменения разности показателей преломления нелинейного волновода путем изменения внешнего электрического или магнитного поля, приложенного к нелинейному волноводу.
Как правило, в качестве источника оптического излучения, вводимого в нелинейный волновод, используется полупроводниковый волноводный или коллимирующий лазерный модуль, включающий полупроводниковый лазер и соответственно волновод или цилиндрическую линзу и градан для вывода излучения. Изменять длину волны излучения лазера можно меняя температуру полупроводниковой структуры лазера с помощью изменения тока через элемент Пельтье, который находится в тепловом контакте с полупроводниковой структурой лазера. Таким образом, можно точно настраиваться на длину волны экситонного резонанса полупроводниковой структуры нелинейного волновода, тем самым достигая рекордно высоких нелинейных коэффициентов и, следовательно, рекордно малых пороговых мощностей.
Аналитические численные расчеты и эксперименты показывают, что переключение излучения достигается также изменением фазы излучения сигнала на входе нелинейного волновода (или разности фаз сигнала и накачки). При этом интенсивность сигнала может не меняться.
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 его поляризация.
При изменении температуры полупроводниковой структуры нелинейного волновода можно настроиться на любой нужный участок характеристики (фиг.4 и [6,7] ), например, на середину линейного участка характеристики, соответствующей критической интенсивности. Для логических устройств или 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 и/или температуры излучающей полупроводниковой структуры лазера Для логического элемента "И" величина сигналов и ширина участка усиления (фиг.4) 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.4 и [6,7]).
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 ОРСВ 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 в два раза 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 нелинейного волновода путем стабилизации ее предварительно выбранной и установленной температуры.
Достижение требуемой длины волны экситонного резонанса может быть проконтролировано по выходным параметрам, в частности, по величине дифференциального коэффициента усиления и/или глубине переключения.
Способ реализуется с помощью описанного ниже устройства. 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 Пельтье. 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. 10 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.
Для уменьшения эллиптичности вводимого в волновод излучения и обеспечения возможности поворота вектора поляризации вводимого в волновод оптического излучения устройство может содержать поляризатор 10, установленный перед нелинейным оптическим волноводом, и/или оптический изолятор 10, который, помимо уменьшения эллиптичности излучения, не пропускает к лазеру или лазерному модулю отраженное от торцов нелинейного оптического волновода и других оптических элементов излучение. Оптический изолятор может одновременно выполнять функции входного поляризатора.
В устройстве предусмотрена возможность поворота поляризатора, что обеспечивает возможность управления процессом переключения путем управления амплитудами ОРСВ
на выходе и отношением α/K, где 
ϑ - угол между оптической осью и вектором поля одной из рассматриваемых ОРСВ.
Для обеспечения необходимой разности фаз между ОРСВ в устройстве используется фазовый компенсатор 11, который может быть выполнен волноводным [5].
Полупроводниковый лазер или лазерный модуль 12 может быть выполнен с внешним резонатором, одно из зеркал которого представляет собой частично или полностью отражающий Брэгговский отражатель 13. Брэгговский отражатель может представлять гофр в волноводе или периодическую решетку показателя преломления в волоконном световоде, примыкающем к лазеру.
Полупроводниковая структура лазера или лазерного модуля 12 может также находиться в тепловом контакте по крайней мере с одним элементом Пельтье (с одной из его пластин), электрически соединенным 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, а следовательно, и пороговую и критическую мощности, и, тем самым, выбирать нужный режим работы.
Как правило, на выходе нелинейного волновода устанавливается разделитель излучений ортогональных поляризаций 14, который представляет собой поляроид, или поляризационную призму, или двоякопреломляющую призму, или направленный ответвитель. В случае использования выходного волновода оптический элемент для разделения различных поляризаций может быть выполнен в виде направленного ответвителя, разделяющего поляризацию, или одиночного волновода, преимущественно поглощающего волну одной поляризации.
Поляризатор, установленный на входе нелинейного оптического волновода, оптический изолятор и фазовый компенсатор также могут быть в волноводном исполнении.
На основе наблюдений можно также сделать вывод, что используемая MQW-структура лучше пропускает излучение одной поляризации, чем излучение ортогональной. Поэтому сам нелинейный двулучепреломляющий волновод даже без внешнего поляроида преимущественно выделяет на выходе излучение определенной поляризации, таким образом, частично выполняя и функции поляризатора. Для наглядности физической интерпретации, нелинейный двулучепреломляющий волновод можно, по-видимому, условно разделить как бы на две части и предположить, что взаимодействие ОРСВ различных поляризаций и перераспределение мощности между ними происходит, главным образом, в первой (начальной) части нелинейного двулучепреломляющего волновода, а во второй (конечной) его части, по мере распространения и приближения к выходу, выделяется и преимущественно остается излучение одной из поляризаций. Если квадрат входной интенсивности много больше (или наоборот много меньше) квадрата критической интенсивности, то согласно теории [6,7], к началу второй части мощность излучения одной из поляризаций уже много больше, чем мощность излучения ортогональной поляризации, и вторая часть волновода как бы довершает "зарезание" оставшегося, относительно слабого, излучения этой ортогональной поляризации. Если же интенсивность на входе нелинейного волновода достаточно близка к критической (точнее, нелинейная система "находится" в непосредственной близости к средней точке M [6]), то согласно теории [6] интенсивности ОРСВ на выходе первой части нелинейного волновода близки по величине и поэтому даже, несмотря на ослабление мощности излучения одной из поляризаций (по мере прохождения второй части волновода), на выходе нелинейного волновода энергии излучений различных поляризаций все же остаются соизмеримыми между собой и тогда влияние поворота внешнего поляризатора проявляется в наибольшей степени. При такой интерпретации длину условно выделяемой первой части нелинейного волновода можно по порядку величины оценить как длину, на которой энергия излучения одной из поляризаций убывает в 20 раз сильнее, чем энергия излучения ортогональной поляризации, т.е. эта длина зависит от коэффициентов потерь в нелинейном волноводе.
Устройство может быть выполнено в виде единого модуля 15, содержащего нелинейный оптический волновод 1 и элементы ввода и вывода, выполненные в виде входного и выходного объективов, включающих цилиндрические линзы 16 и граданы 17, а также диафрагму 18; либо в виде единого модуля 1 с элементами ввода и вывода, выполненными в виде входного 19 и выходного 20 волноводов, состыкованными с торцами нелинейного оптического волновода и полупроводниковым лазером или лазерным модулем 12, выполняющим функцию источника накачки или источника сигнального излучения (при выполнении лазера с модуляцией выходной мощности). В этом случае входной волновод может быть выполнен в виде Y-соединителя (фиг. 7, 10) или направленного ответвителя, во вторую ветвь которого может подаваться сигнальное излучение. Вместо входного волновода в виде Y-соединителя может использоваться один или несколько смесителей 21. Выходной волновод может быть выполнен в виде Y-разветвителя или ТСОВ (фиг. 10). На концах волноводов могут быть выполнены линзы 22.
Единый модуль может содержать также поляризатор и/или оптический изолятор 10, фазовый компенсатор 11, например, в волноводном исполнении. Во входном волноводе 19 за счет периодического изменения его показателя преломления может быть выполнено зеркало 13 внешнего резонатора лазера или лазерного модуля 12.
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 выше некоторого порогового значения (обычно порядка 30 мА); во-вторых, включение и выключение тока меняет коэффициент пропускания оптического 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 или лазерного модуля в нелинейный волноводный модуль, а включение и выключение тока через нелинейный волновод, вызывающие изменение коэффициента пропускания излучения через нелинейный волновод, позволяет проконтролировать точность и эффективность ввода излучения лазера в нелинейный оптический волновод.
Для обеспечения возможности поворота поляризатора 10 (или выполняющего его роль оптического изолятора), либо обеспечения возможности поворота нелинейного оптического волновода относительно плоскости поляризации вводимого в него оптического излучения, устройство, выполненное в виде единого нелинейного оптического модуля в волноводном варианте, снабжено оптическими волоконными разъемами 23, например, разъемами FC/PC, позволяющими осуществлять относительный поворот элементов устройства вокруг оптической оси устройства.
Выполнение способа и устройства иллюстрируется приведенным ниже примером.
Пример.
Создан полностью оптический компактный нелинейно-оптический волноводный модуль (НВМ) (фиг. 17), усиливающий примерно на два порядка слабые модуляции непрерывного излучения полупроводникового лазера или лазерного модуля.
По существу, создан опытный образец оптического транзистора, предложенного в [8]. Его действие основано на нелинейно-оптическом явлении самопереключения ОРСВ [6, 7, 8] различных поляризаций, которое заключается в том, что при определенном подборе входных интенсивностей ОРСВ и разности фаз между ними малое изменение входной интенсивности или разности фаз ОРСВ вызывает резкое перераспределение энергии между ОРСВ на выходе нелинейного оптического волновода. Ранее это явление наблюдалось в импульсном режиме при мощностях порядка сотен ватт и выше [8] (впервые - в работе [9]), причем удавалось получить дифференциальный коэффициент усиления не более 3-5 [9]. Даже в полупроводниковых MQW-структурах входные мощности, при которых наблюдался эффект, составляли сотни ватт, а коэффициент дифференциального усиления был лишь немногим больше единицы (см., напр., [10, 11]).
Непрерывное излучение полупроводникового лазерного модуля в виде коллимированного пучка пропускали сквозь поляроид и четвертьволновую пластину (которая могла отсутствовать) и далее сквозь нелинейный волноводный модуль, представлявший нелинейный оптический волновод на основе MQW - слоистой полупроводниковой структуры типа GaAs/GayAl1-yAs, снабженный входными и выходными цилиндрическими линзами и граданами, с помощью которых вводили коллимированный пучок оптического излучения в нелинейный оптический волновод и выводили из него, не пользуясь микрообъективами. На выходе выделялось излучение определенной поляризации с помощью поляризатора. Перед ним могла располагаться дополнительная четвертьволновая пластинка. Оптическое излучение, прошедшее сквозь поляроид, попадало на вход фотоприемника (типа ФД-263), сигнал с которого поступал на вход осциллографа.
MQW - структура представляла набор квантовых ям. Период структуры - 200А. Толщина светонесущей жилы - 0.5 мкм; на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Сверху и снизу квантоворазмерной структуры располагались симметрично горизонтальные слои GayAl1-yAs с y = 0,23 толщиной 1 мкм и далее (для лучшего волноводного ограничения) - слои GaeAl1-yAs толщиной 0.5 мкм с y = 0,23. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Длина волновода - примерно 1 мм. Площадь поперечного сечения - порядка 10-7 см2.
Сквозь нелинейный оптический волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток порядка 1-10 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 примыкающий к пленочному электроду и обеспечивающий электрический контакт, представлял собой сильно легированный GaAs p+ -типа с концентрацией носителей 1019 см-3 и имел толщину 0.35 мкм.
За счет пропускания тока через нелинейный оптический волновод достигали две главные цели: во-первых, резко снижая поглощение и потери излучения, получали возможность "работать" в непосредственной близости от экситонного резонанса, где достигаются наибольшие нелинейности и, следовательно, снижалась пороговая и критическая интенсивности, во-вторых, получали возможность устанавливать (при существенно большем, чем при эксплуатации, токе, как правило больше 30-40 мА) с высокой точностью на торцах нелинейного волновода цилиндрические линзы и граданы.
Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. Согласно прикидкам, в области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял порядка 10-4 СГСЭ. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной MQW - структуре, приблизительно равнялась 0.86 мкм. Эту длину волны плавно регулировали (из расчета: 0.25 нм/град) и устанавливали затем стабильной, регулируя и устанавливая температуру структуры с помощью регулировки и стабилизации тока через элемент Пельтье, на котором располагалась эта структура. Тем самым плавно настраивались в область экситонного резонанса (где нелинейность - максимальна) и регулировали (а затем фиксировали) степень близости к нему. По мере приближения к экситонному резонансу уменьшалась величина критической интенсивности (мощности), вблизи которой возникает явление самопереключения ОРСВ. Варьируя и устанавливая с помощью регулятора температуру элемента Пельте, можно было варьировать, выбирать, устанавливать и стабилизировать величину критической интенсивности и дифференциального коэффициента усиления и соотношения мощностей и фаз ОРСВ на выходе. Настройка в экситонный резонанс (точнее на заданную близость к нему) осуществлялась регулировкой и последующей стабилизацией температуры как нелинейного волновода, так и лазерного излучателя. В последнем случае регулировалась и стабилизировалась длина волны лазера.
MQW - структура и оптический волновод на ее основе обладали большой нелинейностью и, кроме того, двулучепреломлением, т.к. показатели преломления волн, поляризованных вдоль и поперек слоев, отличались (по теоретической оценке - примерно на 4•10-3). Двулучепреломление и обеспечивало распределенную связь волн различных поляризаций в MQW - структуре. Лазерное поле на входе НВМ было ориентировано примерно под углом 45o к оптической оси двулучепреломляющего нелинейного волновода, т. е. к оси эллипса эффективного показателя преломления в поперечном сечении этого оптического волновода, которая была направлена перпендикулярно слоям MQW - структуры (в данном случае - вертикально); т.е. - под 45o к "быстрой" и "медленной" осям нелинейной MQW-структуры и нелинейного оптического волновода.
В соответствии с [6,7] возникало явление самопереключения ОРСВ различных поляризаций, разделяемых на выходе поляроидом: амплитуда исходной модуляции резко усиливалась (примерно на два порядка) - на экране осциллографа возникал выброс мощности (фиг. 12-14). Вращение внешнего поляроида вызывало изменение полярности выброса: выброс вверх сменялся выбросом вниз (фиг. 12, 13). Это объясняется резким перераспределением энергии между различными поляризациями: выброс мощности излучения одной поляризации сменялся выбросом мощности излучения в другой, ортогональной ей. Выброс вниз можно трактовать и как провал в интенсивности. Эти провал и выброс достигались при двух взаимно перпендикулярных положениях выходного поляризатора 14 (фиг.6).
Обнаружено также сильное влияние величины малого угла между лазерным лучом и нормалью к поверхности четвертьволновой пластинки на форму и амплитуду сигнала на экране осциллографа. Слегка варьируя этот угол, мы тем самым варьируем разность фаз между ортогонально поляризованными волнами на входе НВМ, которая сильно влияет на процесс переключения, и, тем самым, на выходные интенсивности. Это означает возможность эффективного управления интенсивностью на выходе системы изменением входной разности фаз ОРСВ и/или сигнала и накачки. Например, вместо четвертьволновой пластинки 3 можно взять электрооптический кристалл или волновод и подавать на него переменное сигнальное электрическое напряжение.
Вместе с тем, усиление слабой входной модуляции и "дополнительность в поляризациях на выходе" наблюдались и без фазового компенсатора в виде четвертьволновой пластинки, т.е. при подаче на вход НВМ линейно поляризованного излучения.
В дальнейшем, поместив перед нелинейным волноводом поляризатор и/или оптический изолятор и уменьшив шумы стабилизаторов температуры и тока лазера по крайней мере на порядок, удалось наблюдать описанные выше эффекты (включая транзисторное усиление слабой модуляции) в более чистом виде: усиленная регулярная модуляция имела большую амплитуду (глубину), почти во весь экран, и малые шумы, причем в осциллограммах отсутствовала "базовая" линия, соответствующая модуляции, близкой к исходной (фиг. 14).
Таким образом, удалось получить большой дифференциальный коэффициент усиления сигнала при малом токе через нелинейный оптический волновод. В отличие от известных оптических бистабильных элементов на резонаторе Фабри-Перо данное устройство гораздо более устойчиво к нестабильности частоты лазера и поэтому его выходные характеристики более стабильны во времени.
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, N 24,2013-2014,1988.
2. 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.
3. Заявка PCT N 96/01441, кл. G 02 F 1/01, 1996 г.
4. А. А.Майер. "Синхронизм "связанных мод" и синхронное нелинейное взаимодействие волн в связанных волноводах". Квантовая электроника, том 7, N7, 1980 г., с.1596-1598.
5. B. Ortega, L.Dong, W.F.Liu et al. High-Performance Optical Fiber Polarizers Based on Long-Period Gratings in Birefringent Optical Fibers. IEEE Photonics Technology Letters Vol.9, N 10, p.1370-1372, October 1997.
6. А. А.Майер.Оптическое самопереключение однонаправленных распределенно-связанных волн. УФН том 165, N 9, 1995 г., c.1037-1075.
7. А.А.Майер. УФН том 166, N 11, 1996 г., c.1171-1196.
8. Майер. "Оптические транзисторы и бистабильные элементы на основе нелинейной передачи света системами с однонаправлеными связанными волнами". Квантовая электроника том 9, 1982 г, с.2296-2302.
9. Д.Д.Гусовский, Е.М.Дианов, А.А.Майер и др. "Экспериментальное наблюдение самопереключения излучения в туннельно-связанных оптических волноводах". -Препринт ИОФАН N 188, Москва, 1986; Квантовая электроника том 14, N 6, с.1144 (1987).
10. K.Tsang et al. Electronics letters v.27. N 22, 1993-1994 (1991).
11. S. Aitchison, A. H.Kean, C.N.Ironside, A.Villeneuve, G.I.Stegeman. Electronics letters v.27, N 19, 1709-1710, (1991).
Изобретение используется в нелинейной интегральной и волоконной оптике, оптических транзисторах. Способ переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения осуществляется с использованием нелинейного оптического волновода, выполненного на основе слоистой полупроводниковой структуры типа MQW, и заключается в том, что в нелинейный волновод вводят поляризованное линейно, с ориентацией вектора электрического поля оптического излучения под углом 10o < α < 80o к "быстрой" или "медленной" оси нелинейного оптического волновода оптическое излучение, имеющее мощность выше пороговой, и разделяют в волны ортогональных поляризаций на выходе системы. При вводе оптического излучения в нелинейный волновод осуществляют изменение мощности или поляризации оптического излучения на входе нелинейного волновода. Через нелинейный волновод пропускают электрический ток и устанавливают и стабилизируют температуру нелинейного волновода, по крайней мере один из торцов которого просветлен. Устройство для переключения, усиления, управления и модуляции оптического излучения содержит нелинейный оптический волновод и элементы ввода/вывода излучения, выполненные в виде входного и выходного волноводов или цилиндрических линз и граданов. Снижена мощность накачки на входе системы. Повышен дифференциальный коэффициент усиления. Обеспечены компактность и надежность устройства. 3 с. и 66 з.п.ф-лы, 17 ил.
| Приспособление в пере для письма с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания | 1917 |
|
SU96A1 |
| Тамир Т | |||
| Волноводная оптоэлектроника | |||
| - М.: Мир, 1991, с.190 - 200 | |||
| US 5452383 A, 19.09.95 | |||
| US 5351320 A, 27.09.94. | |||
