ФОТОННЫЙ МАТРИЧНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК G02F1/03 

Предлагаемое изобретение относится к области оптоэлектроники, конкретно, к фотонным устройствам коммутации, которые могут быть использованы в системах оптико-электронного обмена и обработки информации различного назначения, в линиях и сетях волоконно-оптической связи, а также в различных областях приборостроения.

Общеизвестны две группы оптических пространственных матричных переключателей, с помощью которых в оптико-электронных системах информационного обмена и волоконно-оптических сетях связи осуществляется установление или разрыв взаимного соединения между коммутируемыми каналами или структурными элементами сетей связи. Независимо от принципов работы и физических явлений, обеспечивающих пространственное изменение координаты коммутируемого светового потока активным элементом оптического матричного переключателя (коммутатора), все оптические матричные переключатели делятся на две группы. К первой группе относятся полностью оптические или «прозрачные» коммутаторы, в которых изменение координаты коммутируемого светового потока и время сохранения соединения между коммутируемыми каналами определяется только характеристиками управляющего оптического сигнала, воздействующего на активный элемент коммутатора (в англоязычной литературе такие переключатели получили название «фотонные переключатели», или optical-optical-optical switches). Вторую группу переключателей составляют так называемые «гибридные» переключатели, где изменение координаты оптического пучка осуществляется посредством воздействия на активный элемент электрического, акустического, теплового и другого вида сигнала, кроме оптического. К числу таких переключателей относятся оптоэлектронные, электрооптические, акустооптические, механические, переключатели на массивах из микрозеркал (технология MEMS), переключатели на фотонных и жидких кристаллах и другие (см. Оптические сети / Девид Гриндфилд - К.: ООО «ТИД «ДС», 2002. - 256 с; Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы. 3-е изд. / Сборник статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. М.: Техносфера, 2010. - 608 с).

Известен вариант реализации фотонного матричного переключателя, в котором установление соединения между двумя входными и двумя выходными портами происходит за счет пространственного преобразования координаты коммутируемого оптического сигнала при воздействии освещения (см. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы. М.: Соломон-Р, 2001. 237 с).

Данный переключатель представляет собой прямоугольную многослойную полупроводниковую структуру, нижний (толщиной 100 нм) и верхний (толщиной 399 нм), слои которой выполнены из соединения InP, а ее средний слой, толщиной 450 нм, выполнен из GaInAsP. Кроме того, на поверхности одной из граней многослойной структуры выполнены волноводные каналы, образующие направленный ответвитель Х-типа с шириной выступов, образующих волноводные каналы 1,5 мкм, а в ее среднем слое выполнена дифракционная решетка Брэгга (отражатель) с периодом решетки 232,5 нм. Длина всей структуры 5 мм, волноводной - 3 мм.

Действие вышеописанного фотонного матричного переключателя - аналога основано на зависимости угла дифракции коммутируемого светового потока от его мощности, которая возникает вследствие нелинейного изменения показателя преломления материала решетки Брегга, что приводит при воздействии освещения к изменению периода решетки Брегга и, соответственно, к пространственному изменению координаты коммутируемого пучка света. При поступлении на первый входной порт оптического сигнала мощностью менее 5 мВт на длине волны 1550 нм, оптический сигнал отражается дифракционной решеткой и поступает во второй входной порт. В тоже время при мощности оптического сигнала, поступающего на вход первого порта, более 12 мВт воздействие оптического сигнала вызывает изменение периода дифракционной решетки Брэгга и, соответственно, коммутируемый световой поток переадресуется с первого входного порта во второй выходной порт. Аналогично реализуется переключение светового потока, поступающего на второй входной порт, в первый выходной порт. Время установления соединения и время разрыва соединения (время переключения) в таком переключателе лежит в наносекунд-ном диапазоне и составляет t_пер.~5÷20 нс.

К числу основных недостатков данного фотонного матричного переключателя следует отнести: очень узкий рабочий спектральный диапазон, в пределах которого осуществляется переключение световых пучков, большие вносимые потери, а также ограниченные функциональные возможности по установлению новых динамических связей между входными и выходными портами переключателя при воздействии освещения, поскольку существует жесткая «привязка» коммутируемых каналов между собой.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является фотонный матричный переключатель емкостью 2×2 (см. Perepelitsyn Yu.N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol.537-26, pp.239-248, Optical Sciences Ctr. / Univ. of Arizona, Tucson, AZ, USA), принятый за прототип.

Данное устройство содержит активный элемент, представляющий собой неоднородную туннельную МДП структуру, созданную на основе электрооптического кристалла p-CdTe в виде прямоугольного параллепипеда, на одной из граней которого сформирована электрическая неоднородность в виде пир слоев, образующих на всей поверхности грани n-p переход, а на поверхности противоположной грани кристалла - слой туннельного диэлектрика, поверх которого нанесен металлический электрод. Помимо этого, фотонный матричный переключатель содержит оптическую систему, включающую в себя две светоделительные призмы, четыре микрообъектива и четыре поляризатора, расположенные в устройстве между светоделительными призмами и микрообъективами, которые используются в качестве входных и выходных портов оптического переключателя. При этом светоделительная призма, оптически связанная с входными портами переключателя, и светоделительная призма, оптически связанная с выходными портами, расположены симметрично относительно центра активного элемента таким образом, что в совокупности все элементы оптической системы образуют осецентрированную оптическую систему, в которой все элементы оптической системы оптически связаны между собой и n-p переходом активного элемента матричного переключателя.

Действие фотонного матричного переключателя 2×2 - прототипа основано на эффекте пространственного перераспределения напряженности электрического поля в объеме туннельной МДП структуры при воздействии внешнего освещения. В отсутствии освещения импульсом управляющего света к электродам активного элемента прикладывается внешнее напряжение V₀, соответстующее напряжению обратного смещения n-p перехода, что приводит к формированию стационарного неоднородного распределения электрического поля в объеме полупроводникового кристалла. При этом величина V₀ выбирается такой, чтобы при поперечном электрооптическом эффекте и линейных размерах наиболее длинной грани параллелепипеда l, приложенное напряжение обеспечивало фазовый набег Г=π, т.е. V₀=V_λ/2, где V_λ/2 - полуволновое напряжение смещения для активного элемента (см. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. - 295 с). В этом случае практически все электрическое поле локализуется в области объемного заряда (ООЗ) n-p перехода, а в остальной части кристалла его величина близка к нулю. Коммутируемые световые потоки, поступающие на первый и второй входные порты, формируются микрообъективами в виде узких пучков света и пропускаются через поляризаторы, оси поляризации которых исходно выставлены перпендикулярно друг другу, и входную светоделительную призму, расположенную перед активным элементом устройства. Это приводит к объединению двух световых пучков в один, в котором световые потоки имеют взаимно-перпендикулярные оси поляризации P₁⊥P₂. Дальнейшее последовательное прохождение единого пучка света через ООЗ n-p перехода МДП структуры параллельно длиной грани электрооптического кристалла l, светоделительную призму, поляризаторы и микрообъективы, расположенные за активным элементом, приводит на выходе активного элемента к изменению состояния (повороту) осей поляризации на угол φ=90° в каждом из коммутируемых световых потоков и его разделению светоделительной призмой, расположенной за активным элементом, на два равных по мощности световых пучка, которые поступают на первый и второй выходные порты. Т.к. в отсутствии освещения импульсом управляющего света, при ортогональных осях поляризации входных поляризаторов P₁⊥P₂, в матричном переключателе установление взаимных связей между входными и выходными портами может происходить произвольно, то, например, исходно первый входной порт может быть соединен с первым выходным портом при P₁⊥P₂ а, соответственно, второй входной порт соединен со вторым выходным портом. Освещение управляющим импульсом света активного элемента переключателя приводит на время действия освещения к изменению в распределении напряженности электрического поля в объеме структуры. На время действия освещения напряженность электрического поля в ООЗ n-p перехода уменьшается практически до нуля и возрастает у электрода, противоположного освещаемому. Такое фотостимулированное пространственное изменение электрического поля в объеме структуры приводит к тому, что в течение времени освещения, которое определяется длительностью управляющего светового импульса, изменение осей поляризации в едином пучке света, распространяющегося через область ООЗ перехода структуры, не происходит. В результате, в фотонном матричном переключателе за время перестройки электрического поля происходит установление новых связей между входными и выходными портами. В этом случае, на время действия освещения в матричном переключателе первый входной порт оптически оказывается связан со вторым выходным потом, а второй входной порт - с первым выходным портом соответственно. После окончания действия управляющего импульса света, восстановление исходных связей в матричном переключателе происходит самопроизвольно, за время возврата электрического поля в активном элементе к своему исходному «темновому» состоянию.

Таким образом, устройство-прототип обеспечивает динамическое установление и разрыв как прямых, так и перекрестных связей между любыми входными и выходными портами фотонного матричного переключателя при включении и выключении освещения. В то же время, потери оптической мощности, вносимые данным устройством при установлении соединения между входными и выходными портами, достаточно велики и составляют η~11 дБ. Кроме того, данный фотонный матричный переключатель обладает недостаточно высоким быстродействием, которое по переднему и заднему фронту импульса в прототипе составляет t_пер.~1÷1,5 мкс.

В настоящее время увеличение скорости распределения и управления потоками передаваемых данных между структурными элементами оптико-электронных систем информационного обмена и волоконно-оптических сетей связи связывают с переходом от использования систем коммутации, функционирующих в режиме «коммутации каналов», к фотонным системам коммутации, функционирующим в режиме «коммутации пакетов». При таком режиме коммутации фукционирование коммутационных сетей большой емкости релизуется за счет соблюдения двух основных принципов. Во-первых, установление взаимного соединения между любым входным и выходным портами коммутирующего устройства большой емкости (коммутационной сети) происходит за счет динамической реконфигурации связей внутри каскадов коммутационной сети, которая происходит только во время воздействия управляющего оптического сигнала (оптическое управление состоянием коммутационного поля). Во-вторых, время установления взаимных связей между коммутируемым входным и выходным портами определяется лишь временной длинной передаваемого пакета данных. Реализация коммутационных матриц или сетей большой емкости, функционирующих на основе двух основных указанных выше принципов, дает возможность обеспечить быструю передачу потоков данных между любыми входными и выходными портами коммутационной сети даже в случае одновременного поступления пакетов данных на все входные порты коммутируемого устройства.

В то же время для создания коммутационных сетей, функционирующих в режиме коммутации пакетов, необходимы быстрые фотонные матричные переключатели, способные при включении и выключении управляющего оптического сигнала обеспечить установление и разрыв соединения между любыми входными и выходными портами матричного переключателя за время, меньшее чем время прохождения передавемого пакета через фотонный матричный переключатель. (Для различных оптико-электронных систем это время может различаться. Так, например, при передаче потока данных со скоростью 10 Гбит/с, время установления и время разрыва соединения фотонным матричным переключателем не должно превышать ~42 нс). Помимо этого другой важной характеристикой фотонного матричного переключателя является величина потерь оптической мощности, вносимых в волоконно-оптический тракт матричным переключателем, которая определяет емкость фотонной коммутационной сети (см. Оптические сети / Девид Гриндфилд - К.: ООО «ТИД «ДС», 2002. - 256 с; Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы. 3-е изд. / Сборник статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. М.: Техносфера, 2010 - 608 с.).

Полезная модель направлена на решение задачи создания фотонного матричного переключателя с улучшенными характеристиками, обеспечивающими передачу данных в режиме коммутации пакетов между коммутируемыми каналами.

Технический результат заключается в уменьшении времени установления и разрыва соединения фотонным матричным переключателем при включении и выключении управляющего освещения (повышение быстродействия), а также в снижении потерь оптической мощности, вносимых фотонным переключателем при установлении пространственного соединения между коммутируемыми каналами.

Указанный технический результат достигается тем, что фотонный матричный переключатель содержит активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, на основе электрооптического кристалла с электронным типом проводимости, содержащий у поверхности освещаемой грани неоднородность в виде p и n слоев, образующих p-n переход, например, на основе электрооптического кристалла CdTe с электронным типом проводимости, и электрод отрицательной полярности, а на противоположной грани - слой туннельного диэлектрика, поверх которого выполнен металлический электрод положительной полярности, источник питания, электрически связанный с электродами, источник управляющих световых импульсов, оптически связанный с гранью структуры, содержащей p-n переход (неоднородность), а также входную призму (типа axicon) и выходную двоякопреломляющую призму, первая из которых расположена перед, а другая после активного элемента, оптически связанные с входными и выходными портами соответственно, каждая из которых также попарно оптически связана с соответствующими входными и выходными микрообъективами и поляризаторами, расположенными между каждой из призм и микрообъективом. При этом входная и выходная призмы расположены симметрично относительно центра активного элемента, причем призмы, поляризаторы и микрообъективы образуют осецентрированную оптическую систему, все элементы которой оптически связаны между собой, а ее главная ось оптически связана с p-n переходом активного элемента и параллельна длинной грани, содержащей p-n переход. На грань активного элемента, содержащую n-p переход, нанесено просветляющее покрытие, поверх которого выполнено диэлектрическое покрытие в виде замкнутого контура, охватывающего просветляющее покрытие и область объемного заряда p-n перехода, а поляризаторы выполнены в виде поляризационных призм.

Причем поляризаторы во входных портах могут быть выставлены с противоположной или с одинаковой ориентацией осей поляризации.

Сущность предлагаемого технического решения основана на эффекте пространственного перераспределения электрического поля, возникающего в объеме туннельных МДП структур под действие освещения (см. Perepelitsyn Yu.N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol.537-26, pp.239-248, Optical Sciences Ctr. / Univ. of Arizona, Tucson, AZ, USA).

Одним из существенных признаков заявляемого устройства является выполнение активного элемента на основе высокоомного полупроводника n-типа проводимости, содержащего малые концентрации примесных уровней. Использование полупроводникового кристалла n-типа проводимости необходимо потому, что фотоэлектрические свойства туннельных МДП структур, создаваемых на основе высокоомных полупроводников (структуры с фоточувствительным распределением электрического поля), существенно отличаются от других типов фоточувствительных структур. В частности, в условиях внешнего приложенного напряжения V₀ и освещения структуры результирующее распределение электрического поля E_Σ(x) в объеме такой структуры складывается из распределения электрического поля, создаваемого в ней внешним источником напряжения E_Σ(x), и поля E₁(x), создаваемого фотоиндуцированным объемным зарядом, появляющимся в ее объеме при воздействии освещения. В неоднородной структуре при отсутствии освещения приложение обратного смещения к активному элементу переключателя приводит к локализации электрического поля в ООЗ p-n перехода структуры, а в остальной части структуры его величина близка к нулю, то есть профиль распределения электрического поля E₁(x) определяется внешним источником напряжения и конструкцией структуры.

В то же время ее освещение со стороны p-n перехода светом с энергией квантов hν≥E_g, где hν - энергия кванта, E_g - ширина запрещенной зоны материала кристалла активного элемента, приводит к генерации электронно-дырочных пар и их разделению под действием сильного электрического поля в ООЗ n-p перехода. При этом один тип носителей (дырки) покидает структуру через электрод с отрицательной полярностью, а второй тип носителей (электроны), дрейфуя через базовую область кристалла, накапливается у поверхности туннельно-тонкого диэлектрического слоя. В условиях постоянного приложенного смещения, появление и накопление монополярного заряда свободных фотоносителей (электронов) на границе раздела полупроводник - туннельно-тонкий диэлектрический слой приводит к перераспределению напряженности электрического поля в объеме полупроводниковой компоненты активного элемента. На время действия освещения напряженность поля в ООЗ p-n перехода резко падает, возрастая в приконтактной области не-освещаемого электрода структуры, содержащего туннельно-тонкий диэлектрический слой. При этом полный «сброс» поля из ООЗ p-n перехода структуры происходит после того, как в условиях постоянно приложенного напряжения падение напряжения на слое фотогенерированного заряда, накапливаемого на границе раздела полупроводник - туннельный диэлектрик, превысит напряжение на слое p-n перехода, т.е. результирующий профиль распределения электрического поля в структуре E_Σ(x) полностью определяется фотоиндуцированным зарядом, появляющимся в структуре только на время действия освещения. Как показал теоретический анализ процессов, касающихся механизма переключения поля в структурах такого типа, к числу основных факторов, которые определяют время перестройки электрического поля при включении и выключении освещения (время переключения активного элемента) относятся: тип фотоносителей заряда, переключающих поле, и величина их подвижности при насыщении дрейфовой скорости, а также расстояние между контактами структуры, которые связаны соотношением (см. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. - М., Мир, 1973):

$$t_{прол.}=\frac{L^2}{\mu V_0}$$

где L - расстояние между контактами, µ - подвижность носителей, V₀ - величина приложенного напряжения. Поскольку величина подвижности свободных фотоносителей полупроводника для разных типов проводимости существенно различается, то для повышения быстродействия существенно важно использовать высокоомный полупроводник n-типа проводимости, где переключение поля происходит за счет основных носителей заряда, подвижность которых µ_n превышает более чем в десять раз подвижность неосновных носителей µ_p. (В частности в CdTe, подвижность основных носителей (электронов) при насыщении дрейфовой скорости достигает µ_n~1000 см²/В×с, а, подвижность неосновных носителей (дырок) составляет, соответственно, µ_p~80-100 см²/В×с). Вместе с тем, изменение типа проводимости свободных носителей, за счет которых переключается поле, хотя и позволяет достигнуть положительного эффекта - увеличить быстродействие активного элемента по сравнению с прототипом, тем не менее максимальное быстродействие может быть достигнуто лишь в том случае, если величина приложенного напряжения обеспечивает в высокоомной компоненте структуры напряженность внутреннего поля, соответствующую насыщению дрейфовой скорости основных носителей. Как следствие, в таких структурах это приводит к следующему:

- во-первых, амбиполярная длина дрейфа инжектированных фотоносителей носителей минимальна, что позволяет обеспечить перенос монополярного фотогенерированного заряда через всю область базы;

- во-вторых, перенос заряда происходит лишь за счет дрейфового механизма переноса заряда, при котором скорость основных носителей является максимальной и практически постоянной на всей длине дрейфа;

- в-третьих, при переносе фотогенерированных носителей через область базы захвата носителей на примесные уровни практически не происходит, так как при таких скоростях медленные процессы захвата носителей на примесные уровни и их выброс в зону проводимости не успевают происходить. Как следствие, это не приводит к образованию долговременного объемного поляризационного заряда в структуре, образование и выброс которого при включении и выключении освещения ведет к нарушению линейной зависимости между величиной фототока (напряженности электрического поля) и интенсивностью воздействующего освещении и, как следствие, к искажению формы коммутируемого импульса.

Соответственно, совокупное действие этих факторов и позволяет обеспечить минимально возможное время переключения электрического поля в активном элементе при включении освещения. В то же время выполнение последнего условия, то есть насыщение дрейфовой скорости носителей, ведет к ограничению расстоянию между контактами, поскольку данное условие выполняется лишь в слое высокоомного полупроводника, толщина которого не превышает длину дрейфа носителей L_E=µ_n((E(x, t))×τ_n×E_нас, где: L_E - длина дрейфа основных носителей, µ_n(E(x, t)) - подвижность основных носителей, τ_n - время жизни основных носителей, E_нас - напряженность внутреннего поля, при которой происходит насыщение дрейфовой скорости в высокоомной компоненте структуры (для CdTe, при µ_n~1000 см²/В×с, τ_η~10^-7 с, Е_нас.~1,1-1,3×10⁴ В/см, теоретически возможная длина дрейфа L_E~11-13 мм). В реальных структурах эта величина несколько меньше и составляет 8-10 мм, что определяет максимально возможную толщину структуры (расстояние между контактами), которая может использоваться в качестве активного элемента. С другой стороны, в пределах данного расстояния между контактами это позволяет через выбор толщины высокоомного слоя структуры создавать активный элемент с определенным временем переключения поля (быстродействием).

Вместе с тем изменение типа проводимости и обеспечение насыщения дрейфовой скорости основных носителей недостаточно для решения поставленной задачи, так как быстродействие фотонного переключателя определяется не только временем переключения поля при включении управляющего освещения, но и временем возврата электрического поля к исходному состоянию после выключения освещения, что определяет длительность заднего фронта импульса. В структурах такого типа после выключения управляющего освещения длительность заднего фронта импульса определяется временем самопроизвольного стекания во внешнюю цепь заряда, накапливаемого у неосвещаемого электрода. Это время, главным образом, определяется толщиной слоя туннельного диэлектрика, линейное уменьшение толщины которого приводит к практически линейному уменьшению времени стекания заряда в условиях сильного поля. Как показали экспериментальные исследования, в условиях сильных полей, обеспечивающих в структуре насыщение дрейфовой скорости, толщина слоя туннельного диэлектрика, при котором стекание накопленного заряда происходит за единицы и десятки наносекунд, составляет d~1÷5 нм. В то же время уменьшение толщины диэлектрического слоя сопровождается увеличением его прозрачности и, как следствие, уменьшением концентрации свободных носителей, накапливаемых на границе раздела полупроводник - туннельный диэлектрик. Так как при освещении полное переключение электрического поля из ООЗ p-n перехода в базу кристалла происходит при определенной величине заряда, накапливаемого на границе раздела, то, как следствие, это приводит к увеличению мощности управляющего светового импульса, при которой обеспечивается уменьшение поля в области p-n перехода до значений, близких к нулю. Одним из вариантов снижения мощности управляющего светового импульса является нанесение просветляющего покрытия на поверхность грани структуры, содержащей n-p переход. Его создание существенно важно потому, при освещении пучком управляющего света от грани структуры, содержащей p-n переход, отражается ~30÷40%. Соответственно, нанесение просветляющего покрытия дает возможность достигнуть максимального преобразования управляющего освещения в фототок за счет преобразования отражаемого управляющего светового потока в заряд, и тем самым осуществить переключение поля управляющим светом практически без увеличения его мощности. В качестве такого покрытия может быть использовано многослойное покрытие, состоящее из нескольких слоев нитрида кремния, с толщиной слоя, составляющего четверть длины волны управляющего света.

Еще одним существенным признаком заявляемого устройства является диэлектрическое покрытие шириной ~100÷450 мкм, выполненное по периметру освещаемой поверхности активного элемента, которое охватывает оптически прозрачный металлический отрицательный электрод и просветляющее покрытие. Необходимость его выполнения обусловлена двумя факторами: во-первых, уменьшением толщины активного элемента, так как при воздействии освещения необходимое время переключения поля может быть достигнуто лишь при определенном расстоянии между контактами, и во-вторых, величиной прикладываемого напряжения V₀, поскольку его величина должна обеспечить величину напряженности электрического поля в ООЗ обратно смещенного p-n перехода, достаточную для того, чтобы при пропускании через эту область у линейно-поляризованных коммутируемых световых потоков происходил фазовый набег Г=π. Совокупное действие этих факторов ведет к тому, что при работе устройства в условиях приложенного высокого напряжения к активному элементу при поглощении управляющего света на освещаемой грани активного элемента появляются значительные поверхностные токи утечки, которые могут вызвать пробой активного элемента по поверхности любой из четырех ее граней. Соответственно, выполнение диэлектрического покрытия на поверхности указанной грани, охватывающего по периметру просветляющее покрытие и область неоднородности проводимости активного элемента, дает возможность реализовать «электрическую развязку» между гранями активного элемента, содержащими металлические электроды, и тем самым исключить возможность электрического пробоя структуры.

На момент подачи заявки авторам неизвестен фотонный матричный переключатель, в котором для оптической коммутации световых потоков или дискретных оптических импульсов использовались активный элемент и оптическая схема фотонного переключателя с заявляемой совокупностью существенных признаков, обеспечивающих оптически не только динамическую перестройку оптических связей между входными и выходными портами фотонного матричного переключателя, но и малые вносимые потери.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом решении критерия «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена оптическая схема заявляемого фотонного матричного переключателя, реализующая, в отсутствии управляющих оптических импульсов, прямые оптические связи между входным и выходным 1N↔1M и 2N↔2М портами переключателя при поступлении в один и тот же момент времени на активный элемент переключателя соответственно:

- прямоугольных оптических импульсов, имеющих одинаковую длительность τ, различную амплитуду и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S; пакетов прямоугольных оптических импульсов равной длительности t, сформированных из оптических импульсов различной длительности τ и имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S;

- периодических оптических импульсов, имеющих различную длительность τ и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S.

На фиг.2 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности, имеющих различную амплитуду и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S, поступающих с входных 1N и 2N портов на активный элемент фотонного переключателя (см. фиг.1, позиция 13(τ₁, $${\tilde{V}}_1$$ , S), позиция 20 (τ₁, $${\tilde{V}}_2$$ , P).

На фиг.3 представлена фотография пакетов прямоугольных оптических импульсов равной длительности t, сформированных из оптических импульсов различной длительности τ, имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S, поступающих с входных 1N и 2N портов на активный элемент фотонного переключателя (см. фиг.1, позиция 14 (τ₂, t₁, S), позиция 21 (τ₃, t₁, P)).

На фиг.4 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов различной длительности τ, имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S, периодически поступающих с входных 1N и 2N портов на активный элемент переключателя (см. фиг.1 позиция 15 (τ₂, S), позиция 22 (τ₃, P)).

На фиг.5 представлена оптическая схема фотонного матричного переключателя, реализующая перекрестные оптические связи между 1N↔2М и 2N↔1М входными и выходными портами переключателя при освещении управляющими оптическими импульсами различной частоты ν и длительности Т и поступлении в один и тот же момент времени на активный элемент переключателя, соответственно: прямоугольных оптических импульсов, имеющих одинаковую длительность τ, различную амплитуду $$\tilde{V}$$ и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S; пакетов прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности t, сформированных из оптических импульсов различной длительности τ и имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S; периодических оптических импульсов различной длительности τ, имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S.

На фиг.6 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности τ и различной амплитуды, зарегистрированных на выходе портов 1М и 2М переключателя при освещении активного элемента переключателя управляющим оптическим импульсом длительностью T, равной длительности коммутируемых оптических импульсов (см. фиг.5, позиция 44 (τ₁, $${\tilde{V}}_2$$ , P, T₁>τ₁), позиция 48 (τ₁, $${\tilde{V}}_1$$ , S, T₁>τ₁)).

На фиг.7 представлена фотография пакетов прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности t, зарегистрированных на выходе 1М и 2М портов переключателя при освещении активного элемента управляющими оптическими импульсами, длительность которых равна длительности пакетов (см. фиг.5, позиция 45 (τ_з, P, Т₂>t₁), позиция 49 (τ₂, S, Т₂>t₁)).

На фиг.8 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов различной длительности, зарегистрированных на выходе 1М и 2М портов переключателя при освещении активного элемента управляющими оптическими импульсами T₃, длительностью τ₂, период ∧ поступления на активный элемент которых в два раза больше периода следования импульсов, подаваемых с 1N и 2 N входных портов (см. фиг.5, позиция 46 (τ₂, P, Т₃>τ₂=0), позиция 50 (τ₃, P, Т₃>τ₃≠0)).

На фиг.9 представлена оптическая схема фотонного матричного переключателя, реализующая при воздействии управляющим световым импульсом оптическую связь между входными 1N и 2N и одним из выходных 1М портов фотонного переключателя 1N↔1М и 2N↔1М (режим «сборка») при поступлении на активный элемент в различные моменты времени периодических оптических импульсов с параллельными осями поляризации S║P.

На фиг.10 представлена фотография периодических оптических импульсов, поступающих на выходной порт 1М фотонного переключателя, при поступлении с входных портов 1N и 2N в различные моменты времени периодических оптических импульсов различной длительности, имеющих параллельные оси поляризации S║P и при освещении импульсом управляющего света длительностью Т и (см. фиг.9, позиция 58 (τ₅, P), позиция 59 (τ₄, P), позиция 56)).

На фиг.11 представлена оптическая схема фотонного матричного переключателя, реализующая оптическую связь между входным 2N и выходными 1М, 2М портами (режим ветвления), при поступлении с входного порта 2N на активный элемент периодических оптических импульсов и освещении управляющим оптическим импульсом длительностью T.

На фиг.12 представлена фотография оптических импульсов, поступающих на выходные 1М и 2М порты фотонного переключателя (см. фиг.11, позиция 60, позиция 64 (τ₆, $${\tilde{V}}_3={\tilde{V}}_4$$ , P), позиция 66 (τ₆, $${\tilde{V}}_4={\tilde{V}}_3$$ , S)).

При этом на всех фотографиях показаны номера каналов, шкалы временной развертки (мкс/см, ns/см) и чувствительности (mV/см) осциллографа, при которых оценивались характеристики регистрируемых оптических импульсов.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - активный элемент фотонного матричного переключателя;

2 - высокоомный n-слой активного элемента;

3 - p-слой активного элемента;

4 - диэлектрическое покрытие;

5 - просветляющее покрытие;

6 - слой туннельного диэлектрика;

7 - отрицательный электрод;

8 - положительный электрод;

9 - входная призма, объединяющая в единый световой пучок импульсы линейно-поляризованного света, поступающие с входных 1N и 2N портов;

10 - входной поляризатор в виде поляризационной призмы, обеспечивающий преобразование неполяризованного импульсного оптического излучения, поступающего на входной порт 1N, в линейно-поляризованное с осью поляризации S;

11 - S ориентация оси поляризации в импульсах света $$I_s^{1N}$$ , поступающих на активный элемент с входного порта 1N;

12 - микрообъектив входного порта 1N;

13 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой $${\tilde{V}}_1$$ , поступающий на входной порт 1N;

14 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₂, поступающие на входной порт 1N;

15 - периодические оптические импульсы длительность τ₂;

16 - источник формирования оптических импульсов различной амплитуды, частоты и длительности, поступающих на входной порт 1N фотонного переключателя;

17 - входной поляризатор (поляризационная призма), обеспечивающий преобразование неполяризованного импульсного оптического излучения, поступающего на входной порт 2N, в линейно-поляризованное с осью поляризации P;

18 - Р ориентация оси поляризации в импульсах света $$I_p^{2N}$$ , поступающих на активный элемент с входного порта 2N;

19 - микрообъектив входного порта 2N;

20 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой $${\tilde{V}}_2$$ , поступающий в отсутствие управляющего оптического сигнала на активный элемент 1 с входного порта 2N одновременно с оптическим импульсом 13;

21 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₃, поступающие в отсутствие управляющего оптического сигнала на активный элемент с входного порта 2N одновременно с оптическими импульсами 14;

22 - периодические оптические импульсы длительностью τ₃, поступающие в отсутствие управляющего оптического сигнала на активный элемент с входного порта 2N одновременно с оптическими импульсами 15;

23 - источник формирования оптических импульсов различной амплитуды, частоты и длительности, поступающих на входной порт 2N;

24 - ориентация осей поляризации в импульсных световых потоках $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ после прохождения ими активного элемента в отсутствие управляющего оптического импульса;

25 - выходная двоякопреломляющая призма, обеспечивающая пространственное разделение импульсных световых потоков $$I_p^{2N}$$ и $$I_s^{1N}$$ ортогональными осями поляризации P и S;

26 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 1М после прохождения импульсными световыми потоками $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ выходной двоякопреломляющей призмы 25;

27 - микрообъектив выходного порта 1М;

28 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой $${\tilde{V}}_1$$ , поступающий на выходной порт 1M в отсутствии управляющего оптического импульса;

29 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 1М в отсутствии управляющего оптического импульса;

30 - периодические оптические импульсы длительность τ₂, поступающие на выходной порт 1M в отсутствие управляющего оптического импульса;

31 - фотоприемное устройство регистрации оптических импульсов, поступающих на выходной порт 1М;

32 - микрообъектив выходного порта 2М;

33 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 2М, после прохождения импульсными световыми потоками $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ выходной двоякопреломляющей поляризационной призмы 25;

34 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой $${\tilde{V}}_2$$ , поступающий на выходной порт 2М в отсутствие управляющего оптического импульса (одновременно с оптическим импульсом 28);

35 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 2М в отсутствие управляющего оптического импульса (одновременно с оптическими импульсами 29);

36 - периодические оптические импульсы длительность τ₃, поступающие на выходной порт 2М в отсутствие управляющего оптического импульса (одновременно с оптическими импульсами 30);

37 - фотоприемное устройство регистрации оптических импульсов, поступающих на выходной порт 2М.

38 - оптическая система источника импульсов управляющего света;

39 - ось излучения, формируемого оптической системой 38 от источника управляющего света 40, перпендикулярная плоскости просветляющего покрытия 5;

40 - источник формирования оптических импульсов управляющего света различной амплитуды, частоты и длительности;

41 - оптический управляющий световой импульс длительностью T₁=τ₁;

42 - оптические управляющие световые импульсы длительностью T₂~t₁;

43 - оптические управляющие световые импульсы длительностью T₃~τ₃;

44 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой $${\tilde{V}}_2$$ , поступающий при воздействии управляющего оптического сигнала 41 на выходной порт 1М;

45 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 1М при воздействии управляющими оптическими импульсами 42;

46 - периодические оптические импульсы длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 1М в отсутствие воздействия управляющими оптическими импульсами 43;

47 - периодические оптические импульсы длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 1М при воздействии управляющими оптическими импульсами 43;

48 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой $${\tilde{V}}_1$$ , поступающий на выходной порт 2М при воздействии управляющего оптического импульса 41 (одновременно с импульсом света 44);

49 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 2М при воздействии управляющими оптическими импульсами 42 (одновременно с пакетами импульсов 45);

50 - периодические оптические импульсы длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 2М в отсутствие воздействия управляющими оптическими сигналами 43;

51 - периодические оптические импульсы длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 2М при воздействии управляющими оптическими сигналами 43;

52 - входная поляризационная призма, обеспечивающая преобразование неполяризованного импульсного оптического излучения, поступающего на входной порт 1N, в линейно-поляризованное с осью поляризации Р;

53 - Р ориентация оси поляризации в импульсах света $$I_p^{1N}$$ , поступающих на активный элемент с входного порта 1N;

54 - периодические оптические импульсы длительностью τ₄, поступающие на активный элемент с входного порта 1N;

55 - периодические оптические импульсы длительностью τ₅, поступающие на активный элемент с входного порта 2N;

56 - оптический управляющий световой импульс длительностью Т₄;

57 - Р - ориентация осей поляризации в импульсных световых потоках $$I_p^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ после прохождения ими активного элемента при воздействии управляющего оптического сигнала 56;

58 - периодические оптические импульсы длительностью τ₅, поступающие на выходной порт 1М с входного порта 2N при воздействии управляющим импульсом света 56;

59 - периодические оптические импульсы длительностью τ₄, поступающие на выходной порт 1М с входного порта 1N при воздействии управляющим импульсом света 56;

60 - оптический управляющий световой импульс длительностью Т₅;

61 - периодические оптические импульсы длительностью τ₆, поступающие на активный элемент с входного порта 2N при воздействии управляющего оптического сигнала 60;

62 - ориентация оси поляризации в импульсном световом потоке $$I_p^{2N}$$ после прохождения активного элемента при воздействии управляющего оптического сигнала 60;

63 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 1М после прохождения импульсным световым потоком $$I_p^{2N}$$ выходной двоякопреломляющей призмы 25;

64 - периодические оптические импульсы длительность τ₆ и амплитудой $${\tilde{V}}_3$$ , поступающие на выходной порт 1М при воздействии управляющего оптического сигнала 60;

65 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 2М, после прохождения импульсным световым потоком $$I_p^{2N}$$ выходной двоякопреломляющей призмы 25;

66 - периодические оптические импульсы длительность τ₆ и амплитудой $${\tilde{V}}_4={\tilde{V}}_3$$ , поступающие на выходной порт 2М при воздействии управляющего оптического сигнала 60 (одновременно с импульсами света 64).

Фотонный матричный переключатель работает следующим образом. В общем случае в матричном переключателе исходно прямые или перекрестные взаимные связи между входными и выходными портами 1N, 2N и 1М, 2М могут быть заданы произвольно, через ориентацию осей поляризации S и P в импульсных световых потоках и оптических осей выходной двоякопреломляющей призмы 25 при условии, что во-первых, оси поляризации 11 и 18 в импульсных световых потоках $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ взаимно перпендикулярны (т.е. S⊥Р) и, во-вторых, при установлении призмы 25 в положение, при котором оси поляризации S и P в импульсных световых потоках на выходе активного элемента параллельны соответствующим оптическим осям материала выходной двоякопреломляющей призмы 25.

Источниками формирования оптических импульсов 16 и 23 формируются одновременно импульсы естественного света различной амплитуды, частоты и длительности, которые с помощью микрообъективов 12 и 19 коллимируются в узкие пучки, пропускание которых через входные поляризаторы 10 и 17 приводит к преобразованию из неполяризованного импульсного оптического излучения в линейно-поляризованное. В результате импульсы естественного света 13, 14, 15, поступающие на входной порт 1N, преобразуются в импульсы линейно-поляризованного света с осью поляризации S, а соответственно, импульсы естественного света 20, 21, 22, поступающие на входной порт 2N, преобразуются в импульсы линейно-поляризованного света с осью поляризации P. После этого с помощью призмы 9 они объединяются в единый световой пучок и пропускаются через ООЗ p-n перехода активного элемента переключателя 1, параллельно длинной грани активного элемента l. В отсутствие освещения управляющими импульсами света к электродам 7 и 8 активного элемента 1 прикладывается внешнее напряжение V₀, соответствующее напряжению обратного смещения p-n перехода, что приводит к локализации электрического поля в ООЗ p-n перехода активного элемента, а в остальном высокоомном слое 2 структуры его величина близка к нулю. При этом величина приложенного напряжения V₀ выбирается такой, чтобы в результате синхронного вращения осей поляризации P и S, происходящего по мере распространения линейно-поляризованных импульсных световых потоков $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ через область сильного поля ООЗ p-n перехода, на выходе активного элемента длиной l угол их поворота составлял φ=90° (фазовый набег Г=π). То есть ориентация осей поляризации P и S у линейно-поляризованных импульсных световых потоков $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ на выходе активного элемента меняется на противоположную (фиг.1, позиция 24, S→P, P→S, позиция 26, позиция 33) относительно состояния их ориентации на входе в активный элемент. Пройдя выходную двоякопреломляющую призму 25, импульсные световые потоки $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}$$ коллимируются соответствующими микрообъективами 27 и 32 и поступают на выходные порты переключателя. Т.к. по мере распространения оптических импульсов через оптическую схему происходит частичное поглощение и отражение света, то соответственно амплитуда импульсов света, поступающих на выходной порт 1М и 2М, уменьшается на постоянную величину по сравнению с амплитудой тех же импульсов, поступающих на входные каналы 1N и 2N переключателя. Однако при этом все остальные характеристики коммутируемых оптических импульсов (частота, форма, длительность и спектр) полностью сохраняются. Поэтому импульсные световые потоки 13, 14, 15 в виде импульсов 28, 29, 30, имеющих ту же длительность, форму, спектр и частоту следования, но меньшую амплитуду, поступают на выходной порт 1N, после чего регистрируются фотоприемным устройством 31. Соответственно, импульсные световые потоки 20, 21 и 22, поступающие с входного порта 2N, отклоняются призмой и поступают на выходной порт 2N в виде оптических импульсов 34, 35, 36, где регистрируются фотоприемным устройством 37.

Управляющие световые импульсы 41, 42, 43 с энергией квантов hν≥E_g, где hν - энергия кванта, E_g - ширина запрещенной зоны материала кристалла, формируются источником управляющих импульсов света 40, а затем коллимируются микрообъективом 38 в виде узкого пучка света и направляются параллельно оси 39 перпендикулярно грани, содержащей просветляющее покрытие 5 и электрическую неоднородность (p-n переход). Поглощение квантов управляющего света в 003 p-n перехода 3, 2 приводит к генерации электронно-дырочных пар и их разделению под действием сильного электрического поля ООЗ n-p перехода. При этом один тип носителей (дырки) вытягиваются во внешнюю цепь через электрод отрицательной полярности 7, а второй тип свободных фотоносителей (фотоэлектроны), дрейфуя через базовую область кристалла, частично накапливаются у поверхности туннельно-тонкого диэлектрического слоя 6. В условиях постоянного приложенного смещения появление и частичное накопление монополярного заряда свободных фотоносителей (фотоэлектронов) на границе раздела высокоомный полупроводник - туннельно-тонкий диэлектрический слой приводит к перераспределению напряженности электрического поля в объеме высокоомной компоненты 2 активного элемента. В результате на время действия освещения напряженность поля в ООЗ p-n перехода резко падает практически до нуля, возрастая в приконтактной высокоомной области 2 у неосвещаемого электрода активного элемента, содержащего туннельно-тонкий диэлектрический слой 6. Такое пространственное перераспределение электрического поля в активном элементе 1 приводит к тому, что на время действия освещения у линейно-поляризованных импульсных световых потоков $$I_s^{1N}$$ и $$I_p^{2N}\text{},$$ при их распространении через ООЗ p-n перехода, изменение состояния поляризации S и P не происходит (поворота на φ=90°). Поэтому на выходе активного элемента 1 состояние Р и S осей поляризации в импульсных световых потоках, поступающих с входного 1N и 2N портов 24, соответствует их исходному состоянию 11, 18. В этом случае на время действия освещения управляющими импульсами света 41, 42 и 43, импульсные световые потоки 13, 14, 15 в виде импульсных световых потоков меньшей мощности 48, 49 и 51 поступают на выходной порт 2М, а импульсные световые потоки 20, 21, 22 в виде импульсов света меньшей мощности 44, 45, 47 поступают на выходной порт 1М. После выключения импульсов управляющего освещения исходное восстановление взаимных связей между входными и выходными портами в переключателе (соответствующее варианту связей в отсутствии освещения) происходит самопроизвольно за время релаксации электрического поля к своему исходному темновому состоянию. При реализации режима «сборка» входные поляризаторы 52 и 17 исходно ориентируются таким образом, чтобы их оси поляризации были параллельны друг другу, т.е. $$I_p^{1N}\Vert I_p^{2N}.$$ Воздействие управляющим импульсом света 56 приводит на время действия освещения к протеканию в активном элементе процессов, аналогичных описанным выше. Соответственно сохранение исходного состояния осей поляризации в световых потоках $$I_p^{1N}\Vert I_p^{2N}$$ ведет, как следствие, к поступлению импульсов света 54, 55 на выходной порт 1М. При реализации режима «ветвление» величина прикладываемого к активному элементу напряжения V₀ и мощность управляющего импульса света выбирается такой, чтобы при распространении линейно-поляризованного импульсного светового потока $$I_p^{2N}$$ через область сильного поля ООЗ p-n перехода длиной l угловое изменение оси поляризации Р на выходе активного элемента 62 составляло 45(относительно ее состояния на входе активного элемента. Пройдя выходную двоякопрелемляющую призму 25, импульсные световые потоки $$I_{s*}^{2M}$$ и $$I_{p*}^{1M}$$ коллимируются соответствующими микрообъективами 27 и 32 и поступают на выходные порты переключателя в виде импульсов света 64 и 66.

Пример конкретной реализации

Активный элемент фотоннного матричного переключателя был изготовлен на основе совершенного высокоомного монокристалла n-CdTe(In) с удельным сопротивлением ρ~6×10⁷ Ом/см. Монокристалл представлял собой прямоугольный параллелепипед с линейными размерами: l×h×d=8×4×0,5 мм, где l - длина, h - высота, d - толщина. Монокристалл n-CdTe(In) вырезался из объемной були теллурида кадмия таким образом, чтобы нормаль к большей поверхности грани l×h совпадала с осью кристалла [111]. После резки все грани монокристалла обрабатывались стандартными технологическими методами (шлифовка, полировка, травление), после чего на одной из больших граней монокристалла посредством электродиффузии Cu, при температуре 250-255°C, в течении 45 часов создавался p-n переход, глубина залегания которого составляла 40-60 мкм. После этого все грани структуры, кроме грани содержащей p-n переход, дополнительно полировались и подвергались травлению, после чего на грани, противоположной грани содержащей p-n переход, посредством окисления в атмосфере сухого кислорода O₂ в течение 30 с создавался туннельно-тонкий диэлектрический слой толщиной d~1÷5 нм. Затем на окисленную грань монокристалла напылялись тонкие, оптически прозрачные слои индия толщиной 5-10 нм, на которые впоследствии напаивались проволочные золотые электроды. После этого на грань кристалла, содержащую p-n переход, наносился слой Si₃N₄, являющийся одновременно просветляющим и герметизирующим покрытием, а затем для исключения короткого замыкания между электродами, по периметру грани, поверх p-n перехода, металлического электрода и просветляющего покрытия, формировалось с помощью диффузии ванадия, диэлектрическое покрытие шириной ~250-300 мкм и глубиной залегания диффузионного слоя ~100 мкм.

Проведение испытаний фотонного матричного переключателя проводилось на стенде, представляющим собой комплекс радиоизмерительной, электронной аппаратуры и специальной механической системы, включающей микроподвижки, посредством которых обеспечивалось точное координатное согласование импульсных пучков управляющего света и пучков коммутируемого света, поступающих с входных портов 1N и 2N на активный элемент, и всеми оптическими элементами фотонного матричного переключателя, включая его выходные порты и фотоприемные устройства.

В качестве источника управляющих оптических импульсов различной амплитуды, частоты и длительности использовался полупроводниковый лазер типа ML6012R с длиной волны λ=0,82 мкм, оптическое излучение которого выводилось через стандартный одномодовый световод с волоконно-оптическим разъемом. Внутри разъема размещалась оптическая система, формирующая пучок управляющего света необходимой формы, с его помощью осуществлялось жесткое крепление световода на корпусе макета. В качестве источников оптических импульсов коммутируемого света (т.е. оптических импульсов, поступающих на входные порты 1N и 2N) использовались полупроводниковые лазеры с длиной волны λ₁=1,46 мкм и λ₂=1,44 мкм типа D2570 (Japan). Импульсное излучение от лазеров, поступающее на входные порты 1N и 2N подводилось к корпусу макета с помощью волоконных световодов с механическими разъемами, каждый из которых содержал внутри длиннофокусную оптическуя систему с переменным фокусным расстоянием и механически, после юстировки, жестко закреплялся на корпусе макета.

Формирование импульсов управляющего и коммутируемого света обеспечивалось за счет независимой модуляции полупроводниковых лазеров по току накачки с помощью специальных электронных схем питания, изготовленных одним из авторов. Используемые электронные схемы питания позволяли в широких пределах осуществлять независимую регулировку формы, частоты, амплитуды и длительности у любого из оптического сигналов (управляющего или коммутируемого). Временная синхронизация управляющих и коммутируемых оптических импульсов осуществлялась электронным способом, посредством синхронизации между собой генераторов электрических импульсов, импульсы от которых подавались на соответствующие электронные схемы питания полупроводниковых лазеров. Регистрация всех характеристик оптических импульсов, поступающих как на входные, так и выходных порты переключателя, осуществлялась с помощью быстродействующих германиевых p-i-n фотодиодов, сигналы от которых подавались на осциллографы типа Tektronix и RIGOL. Длительность переднего и заднего фронта оптических импульсов оценивались по уровню 0,9, а амплитуда сигнала на входных и выходных портах - по величине напряжения снимаемого с сопротивления нагрузки R_H=50 Ом.

В качестве входных поляризаторов использовались две одинаковые бикристаллические призмы, изготовленные путем твердофазного сращивания двух кристаллов сапфира, исходно вырезаемых по различным оптическим осям. Изготавливаемый таким способом поляризатор представляет собой неразъемное соединение без связующих прослоек толщиной ~1 мм и межфазной границы раздела, имеющей высокую степень структурного совершенства. В качестве выходной двоякопреломляющей призмы использовалась кварцевая призма Волластона.

Все призмы и оптические системы после юстировки жестко (механически) закреплялись внутри корпуса макета устройства. После этого в корпусе макета на специальном столике размещался и юстировался активный элемент таким образом, чтобы единый пучок света с диаметром перетяжки ω₀~10 мкм, формируемый микрообъективами входных портов 1N и 2N и призмой, распространялся, во-первых, параллельно длинной грани монокристалла l, содержащей p-n переход, во-вторых, через область ООЗ p-n перехода, в-третьих, чтобы перетяжка пучка света, формируемая оптическими системами 1N и 2N располагалась по центру его длинной грани l. Величина напряжения, прикладываемого к активному элементу, а также мощность импульса управляющего света для каждого из режимов коммутации подбирались экспериментально таким образом, чтобы при этих параметрах при коммутации оптических импульсов обеспечивалась глубина модуляции η≥20 дБ.

Экспериментально исследовались несколько режима работы переключателя. Первый режим - режим устойчивости поддержания связей между портами при переключении оптических импульсов большой длительности (см. фиг.2 - состояние связей в фотонном переключателе до освещения управляющим импульсом света, фиг.6 - состояние связей в фотонном переключателе при освещении активного элемента импульсом управляющего света (фиг.5, позиция 41). Данный режим реализован в переключателе при приложенном к активному элементу напряжении V₀=285 В и освещении управляющим импульсом света мощности P₁=17 мВт, τ₁=75 с. Исследование данного режима показало, что при переключении импульсов света из входного порта 1N в выходной 1М порт глубина модуляции оптического сигнала остается постоянной в течении всего времени освещения управляющим импульсом света и составляет η≥20 дБ.

Второй режим - режим «пакетной» коммутации, то есть коммутация пакетов оптических импульсов одинаковой длительности t₁, сформированных из дискретных оптических импульсов различной длительности (τ₂ и τ₃), поступающих одновременно на входной порт 1N и 2N (см. фиг.3 - состояние связей в фотонном переключателе до освещения управляющим импульсом света, фиг.7 - состояние связей в фотонном переключателе при освещении управляющими импульсами света длительностью T₂~t₁ с частотой следования управляющих импульсов, совпадающей с частотой следования пакетов коммутируемых импульсов (см. фиг.5 позиция 14, 21, 42). Исследование режима «пакетной» коммутации показало, что данный режим обеспечивается при внешнем приложенном напряжении V₀=315 В и освещении управляющим импульсом света мощностью P₁=23 мВт, при длительности управляющего импульса света, совпадающей с длительностью коммутируемых пакетов, а при различной длительности пакетов - с длительностью импульса управляющего света, совпадающей с длительностью пакета, имеющего наибольшую длительность.

Третий режим - коммутация одиночных периодических оптических импульсов различной длительности τ, и освещении управляющими импульсами света, период следования которых в два раз меньше периода следования одиночных периодических импульсов (см. фиг.5, позиция 15, 22, 43, фиг.4 - состояние связей в фотонном переключателе до освещения импульсом управляющего света, фиг.8 - состояние связей в фотонном переключателе при освещении импульсами управляющего света длительностью T₃~τ₃). Исследование данного режима коммутации показало, что минимальное время переключения (время установления и разрыва соединения), при котором было достигнуто полное переключение импульсов из одного входного канала в другой, составило ~25-30 нс, причем такие времена переключения были реализованы при величине приложенного смещения V₀=320 В и мощности импульса управляющего света 23 мВт. В этом случае вносимые фотонным переключателем (собственные) потери оптической мощности составили 3 дБ.

Четвертый режим - режим «сборка» (данный режим не отображается эквивалентной схемой). Режим реализовывался при подаче на входные порты 1N и 2N одиночных периодических оптических импульсов различной длительности, которые поступали на активный элемент в различные моменты времени и имели параллельные оси поляризации S║P. Исследование режима «сборка» показало, что функционирование переключателя в данном режиме определяется только длительностью управляющего оптического импульса, причем выходной порт «сборки» может задаваться произвольно, через ориентацию осей поляризации S и P. Данный режим был реализован при приложенном напряжении V₀=285 В и освещении активного элемента управляющим импульсом света мощностью P=17 мВт (см. фиг.9, позиция 54, 55, 56, 17, 52, 53,18, 58, 59, фиг.10).

Пятый режим - режим «ветвление», реализовывался при подаче на входной порт 2N одиночных периодических оптических импульсов длительностью τ₆. Исследование режима «ветвление» показало, что длительность функционирования переключателя в данном режиме определяется только длительностью управляющего оптического импульса. Кроме того, в качестве входного порта, из которого может быть осуществлено «ветвление», может использоваться любой из входных портов и при любой ориентации осей поляризации S или P. Кроме того, исследования данного режима показало, что изменение величины приложенного напряжения или мощности управляющего светового импульса позволяет регулировать мощность оптических импульсов, поступающих на выходные порты. Режим «ветвления» оптической мощности 50×50 был реализован при напряжении V₀=132 В и освещении активного элемента импульсом управляющего света мощностью P=8,7 мВт (см. фиг.11, позиция 60, 61, 64, 66).

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый фотонный матричный переключатель впервые обеспечивает время установления и разрыва соединения 25-30 нс при полной глубине модуляции. Кроме того, помимо переключения фотонный переключатель может обеспечить новые режимы соединения - «сборки» и «ветвления» оптической мощности в выходных портах переключателя.

Следует отметить, что аналогичный по конструкции активный элемент может быть изготовлен на основе других высокоомных полупроводников, например CdZnTe, GaAs, CdTe, InP и других. Основанием для такого утверждения является тот факт, что монокристаллы этих полупроводников являются электрооптическими, обладают сходными электрофизическими свойствами, в частности, шириной запрещенной зоны, структурой зоны, а также могут быть выращены высокоомными.

Переключатель содержит активный элемент на основе электрооптического кристалла с электронным типом проводимости, содержащий у поверхности освещаемой грани неоднородность в виде p и n слоев, и электрод отрицательной полярности, а на противоположной грани - слой туннельного диэлектрика, поверх которого выполнен металлический электрод положительной полярности, источник питания, электрически связанный с электродами, источник управляющих световых импульсов, оптически связанный с гранью структуры, содержащей неоднородность, а также входную призму и выходную двоякопреломляющую призму, расположенные симметрично относительно центра активного элемента. Призмы, поляризаторы и микрообъективы образуют осецентрированную оптическую систему, все элементы которой оптически связаны между собой, а ее главная ось оптически связана с p-n переходом активного элемента и параллельна длинной грани, содержащей p-n переход. На грань активного элемента, содержащую n-p переход, нанесено просветляющее покрытие, поверх которого выполнено диэлектрическое покрытие в виде замкнутого контура, охватывающего просветляющее покрытие и область объемного заряда p-n перехода, а поляризаторы выполнены в виде поляризационных призм. Технический результат заключается в повышении быстродействия, а также в снижении потерь оптической мощности. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Фотонный матричный переключатель, содержащий активный элемент в виде прямоугольного параллелепипеда, выполненный на основе электрооптического кристалла, содержащего электрическую неоднородность у поверхности освещаемой грани, а на грани, противоположной освещаемой, - слой туннельного диэлектрика, электроды, электрически связанные с источником питания, источник управляющих световых импульсов, два входных и два выходных порта, две призмы, оптически связанные с входными и выходными портами соответственно, одна из которых - входная - расположена перед, а другая - выходная - после активного элемента, при этом каждый входной порт содержит последовательно расположенные перед призмой по ходу управляемых световых импульсов микрообъектив и поляризатор, а каждый выходной порт - микрообъектив, расположенный после призмы, причем призмы, поляризаторы и микрообъективы образуют осецентрированную оптическую систему, главная ось которой оптически связана с неоднородностью и параллельна длинной грани активного элемента, отличающийся тем, что электрическая неоднородность выполнена в виде p- и n-слоев, образующих p-n-переход, а на грань, содержащую неоднородность, нанесены просветляющее покрытие и диэлектрическое покрытие, охватывающее просветляющее покрытие и область неоднородности активного элемента, при этом поляризаторы выполнены в виде поляризационных призм, выходная призма выполнена двоякопреломляющей, а активный элемент представляет собой электрооптический кристалл с электронным типом проводимости.

2. Фотонный матричный переключатель по п.1, отличающийся тем, что поляризаторы во входных портах выполнены с противоположной ориентацией поляризации.

3. Фотонный матричный переключатель по п.1, отличающийся тем, что поляризаторы во входных портах выполнены с одинаковой ориентацией поляризации.

4. Фотонный матричный переключатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала активного элемента выбран n-CdTe.