Оптический мультивибратор Советский патент 1993 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики.

Целью изобретения является устранение паразитного влияния набега фазы сигнала в цепи обратной связи и резкое повышение стабильности выходных характеристик мультивибратора.

На фиг.1 приведена зависимость коэффициента передачи мощности излучения накачки (Тор) нулевым волноводом и косинуса разности фаз волн накачки (cos( Фр)) от нормированной интенсивности сигнала, поляризованного ортогонально накачке. Сигнал (s) и накачка (р) подаются: а - на вход одного волновода: Rop 0,9, Rip 0, RdsfO, Rip 0; б - на входы разных волноводов: Rop 1.1, Rip-0, Ros 0, ,6jr , a 0; на фиг.2 - устройства, основанные на нелинейных ТСВ с обратной связью, в качестве оптических мультивибраторов; на фиг.З - последовательности прямоугольных импульсов излучения на выходе ТСВ (для схемы, на фиг.2а,б, для схемы на фиг.2в Icn ln).

Метод чисто оптического переключения излучения в туннельно-связанных.волноводах (ТСВ) вызывает все возрастающий интерес в связи с возможностью создания на его основе переключающих элементов для оптических вычислительных машин, оптических транзисторов, мультивибраторов и т.д. Этот метод основан на явлении самопереключения излучения в ТСВ. Самопереключение излучения может иметь место и в других системах с однонаправленными распределение-связанными волнами (ОРСВ).

Исследование переключения, накачки на частоте v (в ТСВ и других системах с ОРСВ) с БХОДНОЙ интенсивностью, близкой к критической, слабым управляющим сигналом на частоте.о показано, в частности, что..

00 О СП

со

XJ

где n br HRop-Rls)2 для случая ввода накачки и сигнала в разные волноводы, и п 1-(Rop+Ris) для случая ввода накачки и сигнала в один волновод.

Полученные результаты можно использовать для создания оптических мультивибраторов, устойчивых к нестабильности фазы волны в цепи обратной связи, Примеры таких мультивибраторов показаны на фиг.2. Используем основную идею 1,2 создания оптического мультивибратора на ТСВ.

Пусть, например, постоянное линейно поляризованное излучение (накачка) с нормированной интенсивностью Rop 1-8ехр(-1) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода первого волновода пропускается сквозь устройство Р, поворачивающее плоскость поляризации на 90° (например, кристаллическую пластинку в полволны), и подается (с помощью зеркал или волновода обратной связи 2J на вход нулевого волновода (фиг.2а), причем коэффициент передачи энергии с выхода первого волновода на вход нулевого равен: о 16exp(-L)/Rop . 1бехр(-1). Таким образом: . ROP « 1-8exp(-L), Ros ROP 16exp(-L), Rop+Ros 1+8exp(-L). .

При таком выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс. Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент , через время своего прохода по ТСВ. равное г , оказывается на выходе первого волновода. Затем, через время гг (время пробега излучением цепи обратной связи), часть этого излучения начинает вводиться (вместе с накачкой) в нулевой волновод, и поэтому еще через время т , т.е. в момент rf , все излучение начинает выходить уже из нулевого волновода. Следовательно, в момент т + +2 Tf ,. прекращается ввод сигнала в нулевой волновод и поэтому в момент + +3 т ,все излучение вновь выходит из первого волновода. В дальнейшем процесс повторяется с периодом, равным 2( Tf + т) (фиг.З).

В ряде случаев схема оптического мультивибратора может быть неустойчива в связи с тем, что по каналу обратной связи проходит излучение с поляризацией, ортогональной требуемой. В этих случаях целесообразно ввести в канал обратной связи поляроид А, препятствующий проходу паразитного излучения (фиг.26,в).

В схеме оптического мультивибратора на фиг.2в линейно поляризованная накачка с Rop 1+8exp(-L) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода нулевого волновода пропускается сквозь поляроид А, не пропускающий (в канал обратной связи)

0

5

0

5

0

5

О

5

0

5

излучение, с поляризацией, ортогональной исходной, затем пропускается сквозь устройство Р, поворачивающее плоскость его поляризации на 90°, и затем вводится в первый волновод, причем коэффициент передачи мощности с выхода нулевого волновода на вход первого равен а 16exp(-L)/RoP, т.е. , ROP 1+8exp(-L), Ris Rop 16ex(-L).

При указанном выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс. Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент , через время т оказывается на выходе нулевого волновода. Затем через время п часть этого излучения начинает вводиться в первый волновод, и поэтому еще через время т , т.е. в момент г + Tf , все излучение начинает выходить уже из первого волновода. Следовательно, в момент т + 2 Tf прекращается поступление сигнала в первый волновод и поэтому в момент TI + 3 г все излучение накачки вновь выходит из нулевого волновода. В дальнейшем процесс повторяется с периодом 2(rf Г) ..

Итак, в обоих рассмотренных схемах на выходе волноводов формируются две противофазные последовательности импульсов почти прямоугольной формы (фиг.З). Длительность одного импульса равна Tf + т ; в течение этого времени все излучение выходит либо из первого, либо из нулевого волновода. Таким образом, система является оптическим мультивибратором в режиме автоколебаний.

Еще раз подчеркнем, что в данных схемах оптического мультивибратора на ТСВ (в отличие от 1,2) выходные интенсивности волн не зависят от набега фазы сигнала в цепи обратной связи.

С каким разбросом по углу можно поворачивать плоскость поляризации на известно, самопереключение излучения происходит, если л:. При этом коэффициент усиления изменения сигнала Iks exp(L)/8 и при ks-3. Поэтому разбро.с значений интенсивности сигнала (на входе ТСВ) не должен превышать 30%. Из -этих соображений можно сделать вывод, что отклонение угла поворота плоскости поляризации от 90° не должно превышать 20°. В противном случае теряется положительный эффект изобретения..

Рассмотрим пример конкретной реализации изобретения.

Для создания оптического мультивибратора, схема которого изображена на ф.иг.2а, в качестве ТСВ использованы две одинаковые жилы двужильного волоконного световода, которые в сочетании с общей

оболочкой из плавленного кварца образовывали одномодовые волноводы, туннель- но-связанные между собой. Скачок показателя преломления между жилой и оболочкой Дп « 0,005, радиус одной жилы а- 1,3 мкм; площадь поперечного сечения S 5 см2; расстояние между краями жил составляло 6 мкм; длина одной перекачки в линейном режиме 1ь 4 м; коэффициент туннельной связи К длина ТСВ t 6 м; L « 1,6 71 . Нелинейный коэффициент 0- см2/эрг, критическая мощность -3,5 Вт. На вход мультивибратора поступало излучение от аргонового лазера ( А 0,51 мкм) мощностью 4,2 Вт, В качестве смесителя (у входа нулевого волновода) использовали полупрозрачное зеркало с коэффициентом отражения 20% и коэффициентом пропускания 80%. Поэтому в нулевой волновод первоначально поступало излучение мощностью примерно 3,3 Вт, что отвечало интенсивности 1к/1 . При этом почти все излучение выходило из первого волновода и направлялось (с помощью зеркал) по каналу обратной связи на вход нулевого волновода. Канал обратной связи был снабжен кристаллической пластинкой в полволны (Р), при проходе излучения сквозь которую плоскость поляризации излучения поворачивалась на 90° ±3°. Длина канала обратной связи составляла 6 м и время прохода света по нему rf 20 нм, Время прохода по ТСВ т 30 нм. Коэффициент передачи мощности излучения с выхода первого волновода на вход нулевого составлял а 10,4%, поэтому через время т+ Tf 50 не

после появления излучения на выходе первого волновода излучение из канала обратной связи (поляризованное ортогонально накачке) мощностью 0,36 Вт вместе с излучением накачки мощностью 3,3 Вт вводилось в нулевой волновод. В результате еще через время т 30 нм почти все излучение общей мощностью 3,66 Вт оказывалось на выходе нулевого волновода. В дальнейшем .процесс повторялся с периодом т + т 50 не и на выходе волноводов формировались две противофазные последовательности прямоугольных импульсов, причем длительность каждого импульса составляла примерно 50 не.

Формула изобретения Оптический мультивибратор, содержащий два кубично-нелинейных туннельно связанных волновода, выход одного из которых оптически соединен с входом этого же или другого волновода, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения стабильности выходных оптических импульсов, между оптически соединенными выходом и входом установлено устройство, поворачивающее плоскость поляризации излучения на 90± ± 20°.

Применение: нелинейная интегральная и волоконная оптика, создание сверхбыстродействующих оптических переключателей, и мультивибраторов. Сущность: мультивибратор включает туннельно связанные волново- ды, на выходе которых формируются две противофазные последовательности прямоугольных импульсов. Предложенная схема оптического мультивибратора характеризует1 ся тем, что в канале обратной связи установлено устройство, поворачивающее плоскость поляризации излучения на 90°. Указанный поворот плоскости поляризации устраняет паразитное влияние набега фазы сигнала в канале обратной связи и повышает стабильность выходных характеристик оптического мультивибратора. 3 ил. (Л С

Фиг.1.

R

Op

-«K.

1s

Я

Op

Г

01

(в)

11

I.

01