ОПТИЧЕСКИЙ БИСТАБИЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2001 года по МПК G02F3/02 

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в качестве переключателей и логических элементов, преимущественно в волоконно-оптических линиях связи.

Известны электрооптические, магнитооптические и акустооптические бистабильные элементы. Развитие волоконно-оптических линий связи привело к необходимости создания быстродействующих полностью оптических бистабильных переключателей.

Известны оптические бистабильные элементы на основе резонатора Фабри-Перо, заполненного средой с кубической нелинейностью, например, GB 2197495, G 02 F 1/21, 1988. Бистабильность достигается за счет зависимости коэффициента отражения от фазового сдвига, который образуется за один проход волной резонатора, причем образующийся фазовый сдвиг зависит от интенсивности поля в резонаторе. Таким образом, коэффициент отражения можно изменить путем изменения мощности излучения на входе резонатора.

Данный бистабильный элемент не обладает достаточным быстродействием, поскольку оно ограничено временем установления поля в резонаторе.

Известны оптические бистабильные элементы на основе интегрально-оптических элементов (SU 1152397, G 02 F 1/37, 1988).

Устройство содержит два туннельно-связанных нелинейных волновода, т.е. размещенных с образованием между ними связи близкого поля, в которые вводятся излучение накачки и сигнальное излучение. Бистабильность достигается за счет изменения условий передачи энергии из одного волновода в другой при изменении интенсивности сигнального излучения. Недостатком такого устройства является его плохая согласованность с волоконно-оптическими линиями связи и фиксированная длина волны переключаемых излучений, равная длине волны экситонного резонанса. Кроме того, для стабилизации длины волны в таких устройствах требуется температурная стабилизация.

Техническим результатом изобретения является уменьшение чувствительности к внешним воздействиям и обеспечение возможности переключения излучения в широком спектральном диапазоне. Кроме того, предлагаемое устройство хорошо согласуется с волоконно-оптическими линиями связи.

Технический результат изобретения достигается тем, что в оптическом бистабильном элементе, содержащем нелинейный оптический волновод, источник излучения накачки с мощностью P_н и источник сигнального излучения с мощностью P_с, волновод выполнен в виде световода с сердцевиной из нелинейного оптического материала, в котором пороговая мощность вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна ниже порога комбинационного рассеяния, причем источники излучения накачки и сигнального излучения оптически сопряжены посредством Y-разветвителя или элемента туннельной связи соответственно со входом и выходом световода, между торцами световода и соответственно источником накачки и источником сигнального излучения размещены элементы оптической развязки, при этом мощности излучения накачки и сигнального излучения выбираются из условия
P_н < P_п
P_п < P_н + P_с
где P_п - пороговая мощность вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна,
a геометрические параметры световода определяются выражением
P_н=15 S/gl,
где S -площадь сечения сердцевины световода,
g - коэффициент усиления, определяемый нелинейными свойствами среды,
l - длина световода.

В частном случае световод выполнен с сердцевиной из кварца диаметром 3,8-5 мкм, длиной 5-10 м.

В другом частном случае световод выполнен в виде кварцевого капиллярного световода, заполненного фотоупругой жидкостью, причем длина световода не более 7 м.

В частности, в качестве фотоупругой жидкости использован бензол, или ацетон, или четыреххлористый титан, или четыреххлористый германий.

Для обеспечения одновременного прохода по нелинейному световоду импульса накачки и импульса сигнального излучения в случае, когда в качестве излучения накачки и сигнального излучения используется импульсное излучение, м оптический бистабильный элемент дополнительно содержит блок синхронизации, блок формирования импульса накачки и блок формирования импульса сигнального излучения, причем выходы блока синхронизации соединены со входом блоков формирования импульса накачки и импульса сигнального излучения.

Для поглощения энергии излучения накачки, отраженного при ВМБР, второй вход Y-разветвителя или элемента туннельной связи, установленного на входном торце нелинейного световода, снабжен поглотителем излучения.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематически изображен бистабильный переключатель с использованием Y-разветвителей, на фиг. 2 - с использованием элементов туннельной связи.

Бистабильное оптическое устройство состоит из нелинейного световода 1, источника излучения накачки 2, оптически сопряженного с входным торцем световода 1, источника сигнального излучения 3, оптически сопряженного с выходным торцем световода 1, Y-разветвителей 4 и 5, установленных соответственно на входе и выходе нелинейного световода 1, и элементов оптической развязки 6. Ввод излучения в нелинейный оптический световод и вывод из него осуществляется посредством линз 7. Для устранения паразитных отражений торцы световода могут быть просветлены или помещены в иммерсионную жидкость (например, в случае использования кварцевого световода концы световода размещены в кюветах с глицерином).

В варианте выполнения устройства, изображенного на фиг. 2, вместо Y-разветвителей использованы элементы туннельной связи. Использование данного варианта менее предпочтительно из-за ограничений, накладываемых данным видом соединения световодов на длину волны излучения.

В случае, когда используется импульсное излучение накачки и импульсное сигнальное излучение, оптический бистабильный элемент содержит блок синхронизации, связанный с блоком формирования импульса накачки и блоком формирования импульса сигнального излучения (на чертежах не показаны).

При использовании оптического бистабильного элемента в качестве логического элемента на свободном конце входного Y-разветвителя может быть установлен поглотитель излучения 8.

В качестве элемента оптической развязки может использоваться пассивная поляризационная развязка, основанная на преобразовании линейной поляризации в круговую и обратно с помощью кристаллической пластинки λ /4 или ромба Френеля, а также с использованием эффекта Фарадея.

Выбор материала световода обусловлен требованием получения эффекта ВРМБ, причем другие нелинейные эффекты не должны конкурировать с ВРМБ. Для этого необходим выбор такого материала, в котором пороговые условия возникновения ВРМБ ниже пороговых условий возникновения других нелинейных эффектов, в частности вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Процессы ВРМБ и ВКР весьма схожи, только роль акустических фотонов в случае ВКР играют оптические фотоны, например молекулярные колебания.

Выбор пороговой мощности излучения связан с ограничением, накладываемым эффектом поглощения ультразвука за время, меньшее 10^-7 сек, в который преобразуется часть излучения накачки, в результате чего происходит разрушение кварцевого волокна или возникают изменения показателя преломления жидкости в капиллярном световоде.

При выборе пороговой мощности излучения следует учитывать также тот факт, что при коротких (наносекундных) импульсах в случае достаточно большого превышения мощности направляемого в нелинейную среду излучения над пороговой P_п происходит срыв обращения волнового фронта при ВРМБ. Этот срыв выражается в увеличении расходимости стоксова излучения, появлении в его угловом спектре спекл-неоднородной структуры и нарушении баланса между падающей, отраженной и прошедшей рассеивающую среду энергиями в угле регистрации. Критическое превышение мощности P_к, при которой наблюдается срыв ОВФ, например, для ацетона составляет P_к/P_п ~30 - 40, для четыреххлористого титана P_к/P_п ~ 500 - 600.

В предложенном устройстве обеспечивается пороговая мощность порядка 10^-4 - 10^-3 Вт, что позволяет избежать нежелательных эффектов.

Для получения устойчивого эффекта ВРМБ необходимо обеспечить достаточную длину взаимодействия излучения накачки и сигнального излучения, т.е. длину нелинейного световода. Известно, что усиление стоксовой волны описывается выражением (Грасюк А. 3. "Комбинационные лазеры", "Квантовая электроника", 1974, T.1, N 3, с.485-509):
P_вых = P_вх ехр{gР_нl/S},
где P_вых и P_вх - мощности стоксовой волны на входе в усилитель и выходе из него,
g - коэффициент усиления, определяемый нелинейными свойствами среды,
S - площадь сечения светового пучка, распространяющегося по волокну,
l - длина эффективного взаимодействия импульса накачки и стоксового импульса.

Пороговые условия достигаются, если показатель экспоненты приблизительно равен 15. Таким образом могут быть рассчитаны требуемые параметры световода - площадь поперечного сечения сердцевины световода S и его длина l:
P_н = 15 S/gl.

Коэффициенты ВМБР-усиления g для различных нелинейных сред известны и составляют, например, для кварцевого стекла 2•10^-9 см/Вт, для бензола 2,8•10^-8 см/Вт, для ацетона 2,5•10^-8 см/Вт.

При выборе параметров световода необходимо учитывать значительное затухание света в капиллярных световодах, что ограничивает возможную длину такого световода до величины порядка нескольких метров при диаметре капилляра порядка 10 мкм.

На основе предложенного оптического бистабильного элемента может быть реализован переключатель излучений между двумя каналами (световодами).

Поскольку мощность излучения накачки ниже пороговой, вводимое в световод 1 излучение накачки в отсутствие сигнального излучения проходит световод без изменений и выводится из него посредством разветвителя 5. Излучение выводится из первого выхода 9 устройства. Если в световод подается сигнальное излучение, мощность которого такова, что в сумме с излучением накачки превышен порог ВРМБ, возникает перекачка энергии из излучения накачки в сигнальное излучение, и излучение выводится из второго выхода устройства 10. Таким образом достигается переключение излучения между двумя каналами.

Оптический бистабильный элемент может быть использован также в качестве логического устройства. Для этого в нелинейный волновод вводятся синхронизированные импульсы излучения накачки и сигнального излучения, в результате чего на выходе 9 отсутствует излучение (логический ноль); либо только импульс излучения накачки, который проходит световод без изменений (логическая единица).

Изобретение используется в волоконно-оптических линиях связи в качестве переключателей и логических элементов. Оптический бистабильный элемент содержит световод с сердцевиной из нелинейного оптического материала, источник излучения накачки и источник сигнального излучения, сопряженные соответственно со входом и выходом световода. Между торцами световода и соответственно источника накачки и источника сигнального излучения размещены элементы оптической развязки. Мощности излучения накачки и сигнального излучения и геометрические параметры световода выбираются из условий, определяемых пороговой мощностью вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна. Устройство позволяет уменьшить чувствительность к внешним воздействиям и обеспечивает возможность переключения излучения в широком спектральном диапазоне. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Оптический бистабильный элемент, содержащий нелинейный оптический волновод, источник излучения накачки с мощностью P_н и источник сигнального излучения с мощностью P_с, отличающийся тем, что волновод выполнен в виде световода с сердцевиной из нелинейного оптического материала, в котором пороговая мощность вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна ниже порога комбинационного рассеяния, причем источники излучения накачки и сигнального излучения оптически сопряжены посредством Y-разветвителя или элемента туннельной связи соответственно со входом и выходом световода, между торцами световода и соответственно источником накачки и источником сигнального излучения размещены элементы оптической развязки, при этом мощности излучения накачки и сигнального излучения выбираются из условия
P_н < P_п;
P_п < P_н + < P_с,
где Р_п - пороговая мощность вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна,
а геометрические параметры световода определяются выражением
P_н = 15 S/gl,
где S - площадь сечения сердцевины световода;
g - коэффициент усиления, определяемый нелинейными свойствами среды;
l - длина световода. 2. Оптический бистабильный элемент по п.1, отличающийся тем, что световод выполнен с сердцевиной из кварца диаметром 3,8 - 5 мкм длиной 5 - 10 м. 3. Оптический бистабильный элемент по п.1, отличающийся тем, что световод выполнен в виде кварцевого капиллярного световода, заполненного фотоупругой жидкостью, причем длина световода не более 7 м. 4. Оптический бистабильный элемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве фотоупругой жидкости использован бензол, или ацетон, или четыреххлористый титан, или четыреххлористый германий. 5. Оптический бистабильный элемент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве излучения накачки и сигнального излучения используется импульсное излучение, при этом оптический бистабильный элемент дополнительно содержит блок синхронизации, блок формирования импульса накачки и блок формирования импульса сигнального излучения, причем выходы блока синхронизации соединены со входом блоков формирования импульса накачки и импульса сигнального излучения. 6. Оптический бистабильный элемент по п.5, отличающийся тем, что второй вход Y-разветвителя или элемента туннельной связи, установленного на входном торце нелинейного световода, снабжен поглотителем излучения.