СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ, УСИЛЕНИЯ И МОДУЛЯЦИИ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕННО-СВЯЗАННЫХ СОЛИТОНОВ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПОЛЯРИЗАЦИЙ Российский патент 2000 года по МПК G02F1/01 G02B6/10 

Изобретение относится к области нелинейной волоконной и интегральной оптики, а точнее к области полностью оптических переключателей и оптических транзисторов.

Известен способ самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) [1-3]. Способ заключается в резком изменении соотношения интенсивностей (и фаз) волн на выходе нелинейнооптического волновода за счет малого изменения входных интенсивостей или фаз этих волн на входе системы. На основе данного способа был предложен ранее неизвестный класс оптических транзисторов. Важные достоинства волоконного оптического транзистора - сверхбыстродействие и удобство его соединения с оптическими волоконными линиями связи.

В качестве одного из перспективных вариантов оптического транзистора был предложен дискретный оптический транзистор [4], где в качестве накачки используется последовательность сверхкоротких импульсов.

Если в волоконных световодах существенна дисперсия, что имеет место в длинных волоконных световодах, то оптимальной формой импульсов является солитонная.

Известно, что распространяясь по волоконному световоду даже на большие расстояния, солитонные импульсы не расплываются, сохраняя свою форму sech(t), ибо для них нелинейное сжатие компенсируется дисперсионным расплыванием. Поэтому солитоны и перспективны для передачи рекордно больших объемов информации.

Еще более важно то, что солитоны могут переключаться целиком, как единое целое, обеспечивая тем самым полное самопереключение, т.е. большой эффективный коэффициент усиления дискретного оптического транзистора [4]. Это объясняется тем, что солитон, распространяясь вдоль волоконного световода, сохраняет однородный фазовый временной профиль, т.е. во всех точках солитона его фаза - почти одна и та же и зависит только от продольной координаты z. Самопереключение происходит вблизи средней точки самопереключения М, соответствующей единичному модулю эллиптической функции. В этой точке выходные интенсивности и фазы волн на выходе нулевого и первого волноводов равны, а крутизна характеристики (т.е. чувствительность к малым изменениям входных интенсивностей и фаз) максимальна.

Наиболее близким к предложенному является способ переключения импульсов, близких к солитонам второго порядка, когда a₀₀ ²=3.63, а₁₀ ²=0, с использованием туннельно-связанных оптических волноводов [5].

Недостатком этого способа является относительно высокая энергия вводимых в световод солитонов, а также недостаточная резкость переключения, т.е. недостаточно высокий коэффициент усиления сигнала. Кроме того, этот способ связан с технологическими трудностями, т.к. для переключения необходимо наличие двух волноводов, расположенных на расстоянии 1-10 мкм. В наиболее важном для практики случае волоконного световода это означает наличие двух светонесущих жил в оболочке из плавленого кварца, расстояние между которыми порядка нескольких микрон.

Техническим результатом изобретения в повышении коэффициента усиления сигнала и упрощение конструкции устройства, используемого в способе переключения и модуля.

Поставленная задача достигается тем, что в способе переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов, заключающийся в том, что на вход нелинейного оптического волновода, обладающего дисперсией второго порядка, подают излучение с изменяемым параметром, волновод выполнен двулучепреломляющим, подаваемое на входе излучение состоит из импульсов излучения накачки и сигнального излучения с изменяемой интенсивностью и/или фазой, при этом поляризации излучений взаимно ортогональны, а поляризация одного из излучений направлена вдоль "быстрой" или "медленной" оси волновода либо под углом к этой оси, не превышающим π/10, причем вводимую мощность излучения накачки выбирают из условия a2y0

≥ |α|/|θ| или a2x0 ≥ |α|/|θ|, где а_y0 или а_x0 - амплитуда импульса накачки, α - нормированное двулучепреломление волновода, θ - нормированный нелинейный коэффициент волновода, при этом в качестве импульсов накачки используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде импульсы.

В частности, для обеспечения высокого контраста угол между поляризацией излучения накачки и "быстрой" или "медленной" осью волновода не превышает угол, при котором нормированный коэффициент линейной связи K=0,05.

В наиболее используемом варианте волновод является кубично нелинейным.

В частном случае нелинейный волновод выполнен в виде волоконного световода.

В другом частном случае нелинейный волновод выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода, при этом, в частности, полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/AI_xGa_1-xAs или In_1-xGa_xAs_yP_1-y/In_1-x′Ga_x′As_y′P_1-y′, где x≠x' или у≠у'.

В частности, амплитуда интенсивности импульсов сигнального излучения меньше амплитуды интенсивности импульсов излучения накачки по крайней мере на два порядка.

Наибольший коэффициент усиления достигается при нормированном двулучепреломлении волновода 0,01 ≤ α ≤ 0,7, разности фаз излучения накачки и сигнального излучения на входе 0 ≤ ψ ≤ π, амплитуде импульсов излучения накачки на входе 0,7≤a≤1,45.

В частности, наибольший коэффициент усиления достигается при нормированном двулучепреломлении волновода 0,07 ≤ α ≤ 0,4, разности фаз излучения накачки и сигнального излучения на входе π/3-π/5 ≤ ψ ≤ π/3+π/5, и амплитуде импульсов излучения накачки на входе 1,05≤a≤1,3.

Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных солитонов ортогональных поляризаций поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1. изображены временные профили мощности |A_x(τ)|² и |A_x(τ)|² двух ортогонально поляризованных солитоноподобных импульсов в двулучепреломляющем кубично-нелинейном волоконном световоде в сечениях с различной координатой z (а,б) и в выходном сечении (в,г), где пунктиром показан входной солитон с у-поляризацией а_x0= 0 (а,в), a_x0-0.01 (б,г); а_y01.2;а=0.15, ψ₀ = π/3; ν = 0, K=0 (см.(1)и(2)).

На фиг. 2. См. подпись к фиг. 1 ν = 0.2, К=0.

На фиг. 3. Cм. подпись к фиг. 2. ν = 0.2, K=0.0005.

Способ основан на явлении самопереключения ОРСВ различных поляризаций в кубично-нелинейной среде.

Линейная распределенная ОРСВ различных поляризаций может быть обусловлена двулучепреломлением среды, причем для достижения максимального коэффициента этой связи вектор поля на входе должен быть направлен под углом 45^o к оптической оси среды. Если же входящая волна поляризована вдоль оптической оси среды, то линейной связи нет. Чрезвычайно резкое самопереключение ОРСВ ортогональных поляризаций наблюдается, когда на вход подаются две волны, линейно поляризованные вдоль и перпендикулярно оптической оси двулучепреломляющей среды, т. е. вдоль "быстрой" и "медленной" осей. При этом линейная распределенная связь ОРСВ близка к нулю, зато существенна нелинейная распределенная связь между ними.

В настоящем изобретении использована возможность эффективного и глубокого самопереключения солитонов и усиления слабых солитонов в таком режиме, а также резкого усиления слабого изменения мощности сигнальных солитонов на входе.

Нелинейное взаимодействие ортогонально поляризованных солитонов в двулучепреломляющем нелинейном волоконном световоде описывается уравнениями:

где z= z_a/l_d - нормированная на дисперсионную длину (l_d = |D|/τ2p

) координата вдоль распространения ОРСВ; τ = (t-z_a/u)/τ_p - нормированное "бегущее" время; К - нормированный коэффициент линейной распределенной связи, пропорциональный sin(2η), η - угол между осью y и "медленной" или "быстрой" осью световода; нормированное двулучепреломление α ≈ 2πα_al_d/λ оценивает набег разности фаз ортогонально поляризованных волн на дисперсионной длине, α ∝ α_a ∝ cos(2η); α_a = β_y-β_x - разность эффективных показателей преломления волн с поляризациями вдоль осей x и y; нормированные нелинейные коэффициенты для волоконного световода обычно u= 2u_xu_y/(u_x+u_y) - средняя групповая скорость волн, ν ≈ l_dτ-1p(u-1x-u-1y)/2 - расстройка групповых скоростей.

Начальные условия имеют вид:
A_x(z = 0) = A_x0(t) = a_x0exp(iϕ_x0)/cosh(τ),
A_y(z = 0) = A_y0(t) = a_y0exp(iϕ_y0)/cosh(τ).
В бесконечности поле равно нулю: |A_x,y(z,τ → ±∞)| → 0.
Уравнения записаны в "солитонной" нормировке, т.е. если , то начальные амплитуды a_x0=a_y0=1 соответствуют распространению фундаментальных солитонов вдоль световода.

Ниже рассмотрено переключение импульсов, близких по амплитуде к фундаментальных солитонам, причем поляризации взаимодействующих солитонов направлены (в поперечном сечении световода) вдоль и ортогонально оптической оси двулучепреломляющего световода, т. е. вдоль "быстрой" и "медленной" осей этого световода или под малым углом к этим осям. Как установлено, для самопереключения излучения в этом случае входная мощность излучения одной из ортогональных поляризаций (накачки) должна превышать пороговую, которая соответствует условию a2y0

≥ |α|/|θ| или a2x0 ≥ |α|/|θ|. Если на вход подаются солитоны только одной поляризации, направленной строго вдоль оптической оси волоконного световода, то даже при превышении порога энергия не перекачивается в солитоны ортогональной поляризации. Иными словами, по всей длине световода и на его выходе распространяются лишь солитоноподобные импульсы заданной поляризации. Именно такой случай, когда a_y0=1,2 и a_x0=0, показан на фиг. 1а. Отметим, что он отвечает средней точке самопереключения М. Ситуация радикально меняется, если на вход одновременно с импульсами накачки (амплитуда которых выше пороговой) подаются очень слабые сигнальные импульсы с амплитудой мощности на несколько порядков меньше амплитуды мощности накачки (фиг. 16). В этом случае на определенной длине, которая должна соответствовать длине световода, энергия исходного солитона почти полностью перекачивается в солитон ортогональной поляризации (фиг. 1б). Фигуры а и б показывают, что переключение солитона из одной поляризации в другую на выходе световода может быть вызвано либо подачей слабого сигнала на вход световода, либо ее прекращением. Солитон перекачивается и переключается как единое целое. Мощность входных очень слабых сигнальных импульсов (и малые перепады их мощности) усиливаются примерно на четыре порядка (фиг. 1, 2). Таким образом, дифференциальный коэффициент усиления слабых изменений входной мощности гораздо выше, чем в случае нелинейных туннельно-связанных оптических волноводов (ТСОВ) [5] при той же длине.

Расчеты показали, что при амплитуде входных импульсов накачки, лежащей в пределах 0,7≤a≤1,45, наибольший коэффициент усиления достигается при нормированном двулучепреломлении волновода 0,01 ≤ α ≤ 0,7, и входной разности фаз излучения накачки и сигнального излучения В частности, оптимальными являются параметры
В реальной ситуации групповые скорости солитонов с ортогональными поляризациями, как правило, различаются: ν ≠ 0. Это грозит "разбеганием" солитонов во времени и снижением коэффициента преобразования и глубины (контраста) переключения. Однако расчеты показали (фиг.2), что "разбегания" солитонов удается избежать. Предотвращает разбегание солитонов перекрестное нелинейное взаимодействие, учитываемое в уравнениях членами с перекрестным нелинейным коэффициентом θ_xy = θ_yx. Перекрестное нелинейное взаимодействие приводит к взаимному самозахвату солитонов ортогональных поляризаций, удерживает солитоны вместе во времени и предотвращает их "разбегание" даже при расстройке групповых скоростей (фиг.2), когда ν = 0.2.
Эффект стабилизации ортогонально поляризованных солитонов, предотвращающий их "разбегание" (за счет членов с θ_xy), был установлен Меньяком [6], но без учета членов с θ и K, ответственных за самопереключение солитонов. Стабилизация, предотвращающая "разбегание" солитонов, имеет место и в условиях их самопереключения, что весьма важно для создания самопереключателей солитонов и дискретных оптических транзисторов на волоконных световодах.

В реальных световодных устройствах неизбежна некоторая, пусть и небольшая, линейная связь между солитонами ортогональных поляризаций, обусловленная отклонением вектора поля накачки от оптической оси. Это отклонение может быть вызвано несовершенством технологии изготовления анизотропного световода, неточностью ориентации световода по отношению к вектору поля накачки и т. д. Тем не менее, численные эксперименты показали, что небольшой коэффициент линейной связи K≤0,05 (например, K=0.0005 для фиг. 3) не нарушает самопереключения солитонов, хотя и снижает его контраст (глубину); он становится источником паразитного сигнала даже в отсутствии сигнального солитона на входе. Возникший за счет слабой линейной связи паразитный сигнал создает в световоде нелинейную распределенную связь (член c θ). По мере продвижения по световоду этот паразитный сигнал резко усиливается уже за счет нелинейной распределенной связи. В результате на выходе возникает фоновое излучение, снижающее контраст переключения (фиг. 3). Таким образом, даже малый коэффициент линейной связи снижает контраст (глубину) переключения солитонов и повышает уровень шума. Поэтому надо по возможности устранять линейную связь между ортогонально поляризованными солитонами, по крайней мере, до величины К=0,05.

Литература:
1. Майер А. А. Квантовая электроника, т.9, N 11, 1982, с. 2296-2302.

2. Майер А. А. Квантовая электроника, т. 11, N 1, 1984, c. 157-162.

3. Майер А. А. Изв. АН СССР, сер. физ., 1984, т. 48, с. 1441-1446.

4. Майер А.А. Препринт ИОФАН N 33 (20) - Москва, 1985; Квант, электрон. 1987, т.14, с. 1596-1603.

5. Trillo S,Wabnitz S, Wright E.M., Stegeman G.I. Optics Lett. 1988, т. 13, p. 672-674.

6.Menyuk C.R. - Opt. Lett. l987, т. 12, N 8, p. 614-617.

На вход нелинейного оптического двулучепреломляющего волновода, обладающего дисперсией второго порядка, подают излучение накачки в виде фундаментальных солитонов или близких к ним по амплитуде импульсов и сигнальное излучение с изменяемой интенсивностью и/или фазой, при этом поляризации излучений взаимно ортогональны, а поляризация одного из излучений направлена вдоль "быстрой" или "медленной" оси волновода либо под углом к этой оси, не превышающим π/10. Технический результат - повышение коэффициента усиления. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов, заключающийся в том, что на вход нелинейного оптического волновода, обладающего дисперсией второго порядка, подают излучение с изменяемым параметром, отличающийся тем, что волновод выполнен двулучепреломляющим, подаваемое на входе излучение состоит из импульсов излучения накачки и сигнального излучения с изменяемой интенсивностью и/или фазой, при этом поляризации излучений взаимно ортогональны, а поляризация одного из излучений направлена вдоль "быстрой" или "медленной" оси волновода либо под углом к этой оси, не превышающим π/10, причем вводимую мощность излучения накачки выбирают из условия или где a_y0 или a_x0 - амплитуда импульса накачки, α - нормированное двулучепреломление волновода, θ - нормированный нелинейный коэффициент волновода, при этом в качестве импульсов накачки используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде импульсы. 2. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов по п.1, отличающийся тем, что угол между поляризацией излучения накачки и "быстрой" или "медленной" осью волновода не превышает угол, при котором коэффициент линейной связи К = 0,05. 3. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов по п.1 или 2, отличающийся тем, что волновод является кубично нелинейным. 4. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов по п.3, отличающийся тем, что нелинейный волновод выполнен в виде волоконного световода. 5. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов по п.3, отличающийся тем, что нелинейный волновод выполнен в виде слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями, содержащей по крайней мере два гетероперехода. 6. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных импульсов по п. 5, отличающийся тем, что полупроводниковая структура выполнена в виде чередующихся слоев GaAs/Al_xGa_1-xAs или In_1-xGa_xAs_yP_1-y/In_1-x'Ga_x'As_y'P_1-y', где x ≠ x' и/или y ≠ y'. 7. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных солитонов ортогональных поляризаций по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что амплитуда интенсивности импульсов сигнального излучения меньше амплитуды интенсивности импульсов излучения накачки по крайней мере на два порядка. 8. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных солитонов ортогональных поляризаций по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что нормированное двулучепреломление волновода 0,01 ≤ α ≤ 0,7, разность фаз излучения накачки и сигнального излучения на входе 0 ≤ ψ ≤ π, а амплитуда импульсов излучения накачки на входе 0,7 ≤ a ≤ 1,45. 9. Способ переключения, усиления и модуляции однонаправленных распределенно-связанных солитонов ортогональных поляризаций по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что нормированное двулучепреломление волновода 0,07 ≤ α ≤ 0,4, разность фаз излучения накачки и сигнального излучения на входе π/3-π/5 ≤ ψ ≤ π/3+π/5, а амплитуда импульсов излучения накачки на входе 1,05 ≤ α ≤ 1,3.