Способ переключения сигнала в туннельно-связанных оптических волноводах Советский патент 1988 года по МПК G02F1/37 G02B6/02 

Изобретение относится к области нелинейной интегральной оптики и может быть использовано для модуляции и усиления света, создания оптических транзисторов, логических и вычислительных устройств.

Известен способ переключения сигнала в туннельно-связьгоающих оптических волноводах(согласно первому источнику) путем электрического управления коэффициентом связи между волноводами. Коэффициент связи изменяют, создавая электрическую разность по тенциало в на у час тке между двзпия волноводами, изменяя тем самым показатель преломления этого участка, .выполненного из электрооптического материала, за счет электрооптического эффекта.

Недостатком этого способа является высокая необходимая электрическая мощность- сигнала управления и низкое быстродействие переключения света.

Наиболее близким к предлржедному является способ переключения сигнала туннельно-связанных волноводов за сч изменения показателя преломления вещества, при осуществлении которого оптический сигнал вводят в волновод. При этом создают разность потенциало в самих волноводах так, что краевые электрические поля в волноводах имеют противоположные знаки. За счгет этого разность эффективных показателей преломления волноводов, а следовательно, и коэффициент передачи.энегии света из одного волновода в другой зависят от величины управляющего электрического сигнала.

Такой способ позволяет осуществит переключение света при меньшей потреляемой электрической мощности, чём предьщущий.

Известные способы переключения света не позволяют осуществить переключение за времена существенно меньшие 1 НС.

Другим недостатком указанных способов является их сложность, связанн с необходимостью подачи управляющего электрического импульса напряжения малой длительности.

Целью изобретения является уменьшение времени переключения света в туннельнр-связанных волноводах.

Поставленная цель достигается тем что в известном способе переключения сигнала в туннельно-связанных оптических волноводах, основанньй на изменении показателя преломления вещества, при осуществлении которого оптический сигнал вводят в волновод, в один из волноводов, выполненный из материала, обладающего кубично-нелинейной восприимчивЬстью, например GaA, вводят сигнал накачки с интенсивйостью, превьшающей пороговое значение

.,

где с - скорость света;

0 - величина кубичнь-нелинейной (керровской) восприимчивости} величины I, с, б выражены в единицах СГСЕ; а - коэффициент, зависящий от .параметров конкретного устройства и лежащий в пределах lO-ia ()

и одновременно с ним вводят в один из волноводов управляющий оптический сигнал той же частоты, что и у сигнала накачки, максимальная интенсивность которого, по крайней мере, на порядок меньше интенсивности сигнала накачки, и интенсивность управляющего оптШеского сигнала изменяют от нуля до максимального значения. На фиг. 1 показана конструкция туннельнр-(гвязанных оптических полосковьрс волноводов; на фиг. 2 и 3 пред ставлены зависимости модуля амплитуды на выходе единичного волновода от МОДУЛЯ амплитуды на входе нулевого волновода (при нулевой амплитуде на входе единичного волновода); на фиг. 4 - Схемы переключателей света при оцтичеекйх транзисторах не свя зашедх волноводах; на фиг. 5 - схемы переключателей света со сниженной энергией переключения, которые также являются оптическими бйстабипьиынН элементами на фиг. 6 - зависимоЬть модуля амплитуды на входе пулевого волновода от амплитуда волны на входе всей системы.

Представим математически передачу света туянельно-связанйыми одномодовь ш оптическими волноводами, по крайней мере, од1ш из которых обладает кубичной восприимчивостью.

Полное электрическое поле (х,у, z,t) в системе двух туннельно-связанньпс оптических волноводов в стационарном случае можно приближенно представить в виде i|5jZp-)Ut (x,y,,z,.t)e(Ae(z)Eo(x,y)e I -.. : ;/i,)t +e,-,(zjE,,. (х.,у)е +комлл.сопр., где Pj эффективные показатели преломления (ЭПП) нулевого и единичного волноводов; , .A,,(z) - комплексные медленно меняющиеея амплитуды волн в этих волноводах; Е (Х.,У)- распределения полей по поперечному сечению волноводо (согласно первому источнику еь,- орты поляризации. В дальнейшем для простоты рассмат риваем ТЕ-волны и считаем .:;,. Подставив выражение (1) в уравнение Максвелла и проводя процедуру укорочения, получим систему уравнений для амплитуд , с dAo ,,, А -бо/Ао /Ч, 2 u,dz- 21 Р, It- V -е,/А, /А, , где /.p,-f, , /i,s;Po , К „и К., - линейн.е коэффициенты связи; / ,,(х,у)- распределения кубичных вое: приимчивостей по поперечному сечению волноводов. Система уравнения (2) при Кз,К,« имёет два интеграла с, Aof,+f,p, Cj KO, fe p, созц;- J. pe f + 00 -- + . где введены модули (р) и фазы (t/) ам плитуд ,еЛ А , c rfzw/c+«.-(. i : С помощью зтих интегралов решение :уравнений (2) выражается через эллип тические функции. Tafc, при ,, Q,0, «f .Uhe , р2/2р и начальных - f . -f f t условиях fe()f,, p, ()0 имеем о f«K., / Z(jJ r Гррс У1 - f :где Г.( |-2рддК, ye,/5 ) , f(K () V-l -V V к Ko,K,g. В линейном случае (вэ) формула (3,в) переходит в известное решение. 1 7 Приведем результат численного решения системы управлений на ЭВМ. На фиг. 2 и 3 по оси абсцисс отложен модуль амплитуды волны на входе волновода А(О)АОО 1Аооi(на входе единичного волновода сигнал отсутствует), а по оси ординат - модуль амплитуды волны на входе единичного волновода. Расчет проводится при параметрах 1 :, к,, к, , А 1,06х 40 ,,2; для фиг. 2 0с для фиг. 3 ер е, 10Л Вначале интенсивностьна выходе линейно увеличивается с ростом интенсивности на входе, затем зависимость становится резко нелинейной: измене-: интенсивности на выходе в сотни и тысячи раз превьппает изменение интенсивности волны на входе. Появляются участки с поло:штельной и отрицательной крутизной. Можно выделить одшг из такигх. участков, задав определенную амплитуду накачки А, и подать на вход нулевого волновода одновременно с накачкой малый сигнал с амплитудой Arc (фиг.4,а) Сигнал усиливается (фиг. ) по мощности в сотни и тысячи раз. Так, при , , , v сГА е (СГСЭ) (фиг. 2)..-,l2,,3. f 00 при таких значениях А амплитуда сигнала АС увеличивается на входе от Q до 10 соответствующее изменение мощности сигнальной волнысГ(Ые -1 Вт), то усиление по мощности (глубина модуляции) составит -сГ |А ,«550 раз, а для меньших изменений АС (tfAc 1, tfNg -Ojl Вт) усиление помощности еще больше ( 10 раз). Таким образом, схема (фиг. 4,а) работает как оптический переключатель или оптический транзистор. в другой схеме переключателя .(Фиг. 4,в).накачка подается на один волновод, а сигнал- на другой. При фиксированном, достаточно большом значении интенсивности накачки (Аоо . 1500), малые изменения интенс1шнос ти сигнальной волны вызывают в сотни раз большие изменения сигнала на выходе волноводов (фиг. 4,г). Наибольшие коэффициенты усиления (глубину модуляции) можно получить в схеме (фиг. 4,д), где согласно расчету глубина модуляции достигг ет in- r-io-o 10 раз, Для снижения пороговой энергии переключения переключателей, а также для достижения бистабильностк требуется обратная связь. В схеме ( фиг.5,а волна с выхода волновода 1 подается на вход нулевого волновода 2 посредством интегрально-оптических волноводов (не показан) и смесителя 3, в качестве которого можно использовать элемент связи между волноводами, (согласно второму источнику). Если дпины волноводов целому числу длин волн, то граничные условия в схеме (фиг. 5,б) имеют вид А„„(А Т+6„ А,,), А,, где Б - коэффициент передачи смесителя 3 энергии волны, поданной с выхода волновода 11 ; (,- коэффициент, учитывающий ослабление волны , при переходе из волновода 1 в волновод 4 и небольшие потери света в этом волноводе; Т - коэффициент передачи умесителя 3 волны А, поданной на вход всей системы; коэффициент 6 учитывает потери света при переходе из волновода 5 в нулевой волновод 2; R, Т,. В схеме (фиг, 5,б) волна с выхода нулевого волновода 2 полностью (посредством волновода) или частично (по средством волновода и планарного ответвителя - не показан) подается на вход этого же волновода, а граничные условия имеют вид Аоо (),„ А,,. . (4,б) где коэффициент t. учитьшают потери энергии при переходе волны соответственно из нулевого волновода 2 в волновод 6 и из волновода 5 в нулевой волновод 2. Коэффициент бо учитывает также возможное ответвление ча сти энергии в планарном ответвителе (не показан). В схемах (фиг. 5,в,г) волна с выхода волновода 1 полностью (посредством волновода) или частично (посредством волновода и плаиарного ответвителя) подается на вход этого же волновода, и граничные условия имеют вид jgu, , (4,;в) где коэффициент d. учитьшает потери энергий при передаче волны с выхода единичного волновода 1 на вход нулевого волновода 2. Смодулируем схемы (фиг. А,а и б) а ЭВМ. Для этого будем считать амлитуду А дейс.твительной, что всегда ожно сделать, одинаково сместив фау все:х волн. Действительная и мнимая асти амплитуды А - функции от А A,,,(Aj, A,,,(.Aj,(5) оторые находятся путем численного ешения системы уравнений (2). Подставим выражейие (5) в выражения (4,а) и (4,б), получим соответственно(AoJ (Ac,), Ф а( А 00 ) IА 06 , j( А о „)-«-iA,, Ф5(,.(Аоо)+ +iA,,,(A,. (7,6) Бистабипьность схем (фиг. 5,а и б) означает наличие у кривых Ф(АЙ ) максимума и участков с отрицательной крутизной, т.е. Ф ,0. .-3 м.. аАоо функции (7) рассчитываются на ЭВМ. Для большей наглядности на фиг. 6 представлены графики обратных функций, а именно |Ао,(А1)«(1А/), . (9,а) (А,(А|)(4(1А1), . (9,6) следовательно, при двух значениях интенсивности входного сигнала () интенсивность волны в системе, а значит, и на ее выходе может принимать два неравных одно другому значения, т.е. в схемах (фиг. 5,а и 5,б) возникает бистабильность. Расчет бистабильного устройства, представленного на фиг. 5,в,г, несколько отличается от приведенного вьппе, и бистабильность здесь иллюстрируется на фиг.4,г. Проверка эффекта изменения перекачки энергии в зависимости от уровня мощности в световоде подтвердила, что малые изменения интенсивности накачки (1%) приводит к резкому изменению интенстаности света (100%) на выходе обоих волноводов. Пример 1, Проводят переключение света в туннельно-связанных оптических полосковых волноводах, изготовленных из GaAs путем имплантации протонов с энергией 300 кэВ. Утопленные волноводы имеют характеристики: поперечное сечение 3 3 мкм, разность показателей преломления между волноводами и подложкой ;Ап 0,005. Для данного примера расчетная величина коэффициента связи примерно совпадает с экспериментально измеренной величиной и составляет К г 10, е - -/}рЗ,5, параметр расстройки , а нелинейные коэффициенты Длина связи волноводов составляет 1 « 1 см. На вход нулевого волновода 2 подают световой пучок накачки с длиной волны ,06 мкм и с мощностью N, варьируемой в пределах 30 кВт кВт, от неодимового лазера, работающего в импульсном режиме. При такой мощности излучения интенсивность волны накачки в волноводе варьируется в пределах 3x10 Вт/см 1 А,5Ш Вт/см, а величина электрического поля в волноводе составляет 3 Ю В/см Е 2 4,7- кЮ В/см и меньше величины поля пробоя, которая для,GaAs составляет (согласно первому источнику). Эксперимент показал, что при изменении мощности вводимого в нулевой волновод 2 света от значения i; 42 кВт до значения а43 кВт, отвечающего относительному изменению равному 2%, мощность света иа выходе единичного волновода I изменяется от 5 кВт до 20 кВт при относительном изменении , а коэффициент усиления по мощности составляет й15. Мощность света на выходе нулевого волновода З при этом изменяется от 5; 37 кВт до t; ж 23 кВт при относительном изменении 50%. Время переключения света составд ет .С-п1/с 10- с. П р и м е р 2. Используются те ж волноводы, что и в примере 1 вход нулевого волновода 2 подают све товой пучок накачки с мощностью «42 кВт от неодимового лазера, работа ющего в импульсном режиме. При этом небольшого часть света с относительной мощностью «-1% ответвляют посредством светоделительной пластинки с коэффициентом пропускания ,99 и коэффициентом отражения R «0,01 и по-. дают на вход волновода 1. При перекрывании светового луча, идущего на вход волновода 1, мощность света на выходе этого волновода изменяется от - 25 кВт до г;5 кВт, что соответствует относительному изменению 5г 500%, а на выходе нулевого волновода 2 мощность света изменяется от кВт до «37 кВт при относительном изменении «500%. Время переключения света так же как и в примере 1 составляет , Использование изобретения обеспечивает снижение времени переклкгчения с света по меньшей мере на порядок; дает возможность использования туннельио-связанных оптических волноводов в качестве оптических транзисторов (фиг. 4), а при наличии обратной связи и в качестве оптических бистабильшлх устройств (фиг. 5), которые могут найти применение в интегрйльнооптических логических и счеТно-решаюшлх устройствах, а также для лазерных затворов.

500500

2000/AGO f

70007SOO

Фиг.2

СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СИГНАЛА В ТУННЕЛЬНО-СВЯЗАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ, основанный на изменении показателя прелоьтения вещества, при осуществлении которого оптический сиг, нал вводят в волновод, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью умень: тения времени переключения, в один из волноводов, выполненный из материала, обладающего кубично-нелинейиой восприимчивостьн), вводят сигнал накачки с интенсивностью, превьш4ющей пороговое значение 1по ас/;в-4, где с скорость света; е величина кубично-нелинейной восприимчивости материала волновода; а - коэффициент, лежащий в пределах 10 а 10-, и одновременно с ним вводят в один из волноводов оптический управляющий сигнал той же частоты, что и у сигнала накачки, максимальная интенсивi ность которого,-по крайней мере, на порядок меньше интенсивности сигнала Л накачки, и интенсивность управляющего сигнала изменяют от нуля до максимального значения. сд го со со Фиг.7

momo 2000 Фиг.З /Aool

j

2 ffi 2-0

r

Л7

S A, л /,//Л °° ПТ / г /А„/ЛЙ7 г 7 fo//d QQ m/Afo

.j r

;P

/tf 7/

QZk

юооSOOФиг.