Фотонно-кристаллический переключатель светового луча

Фотонно-кристаллический переключатель светового луча относится к оптическим электроуправляемым устройствам на основе фотонных кристаллических материалов и может быть использован при создании оптических информационных систем с высокой скоростью переключения информационных каналов, например, в волоконно-оптических линиях связи. Устройство содержит фотонный кристалл из сегнетоэлектрического материала с электродами, источник управляющего напряжения и блок управления. Новым в устройстве является то, что фотонный кристалл изготовлен из сегнетооптического кристалла с униполярной петлей электрооптического гистерезиса, электроды нанесены на грани кристалла, перпендикулярные кристаллографическому направлению [001], а источник управляющего напряжения выбран двухполярным. В качестве сегнетоэлектрического материала выбран кристалл стронций бариевого ниобата SBN-0,61.

Полезная модель относится к оптическим электроуправляемым устройствам на основе фотонных кристаллических материалов и может быть использована при создании оптических информационных систем с высокой скоростью переключения информационных каналов, например, в волоконно-оптических линиях связи.

Известны электрооптические переключатели, содержащие электрооптический элемент, меняющий состояние поляризации при приложении внешнего электрического поля, источник управляющего напряжения с блоком управления, и пластину двулучепреломляющего кристалла, которая расщепляет проходящий световой луч на лучи с ортогональными поляризациями, в результате чего, на выходе эти лучи имеют разные позиции [1].

Такие переключатели отличает высокая скорость, и точность переключения входного светового луча в свободном пространстве в произвольный выходной канал. Однако они обладают и существенными недостатками. Для их работы необходимо приложение большого управляющего напряжения в несколько киловольт, причем при снятии напряжения луч возвращается в исходное состояние т.к. для поддержания направления луча к электрооптическому элементу все время должно быть приложено напряжение. Кроме того, наличие в схеме переключателя пластины двулучепреломляющего кристалла существенно увеличивает оптические потери.

Известен электрооптический переключатель, наиболее близкий к заявляемому решению, содержащий фотонный кристалл с электродами, источник управляющего напряжения и блок управления [2].

Фотонный кристалл представляет собой электрооптический элемент, в котором записана голографическая решетка. Эта решетка записывается при освещении его интерферирующими пучками фотоактивного света.

Внешнее электрическое поле, приложенное к такому элементу, изменяет контраст решетки. Поэтому если световой луч направить на него под углом Брэгга, то изменение контраста решетки приведет к изменению дифракционной эффективности, и, как следствие, к изменению направления луча.

В таком элементе электрооптический гистерезис симметричен, для переключения направления луча используется наличие спонтанного квадратичного электрооптического эффекта, приводящего к зависимости контраста решетки от величины управляющего поля.

Такие переключатели обладают высокой скоростью переключения. Имеют простую конструкцию, которая обеспечивает высокую эксплуатационную надежность, малые оптические потери. Скорость переключения ~ 10^-12c.

Однако управляющие напряжения еще достаточно высоки. Так даже для кристалла стронций бариевого ниобата с максимальным электрооптическим эффектом (например, SBN-0,25) величина управляющего напряжения составляет несколько сот вольт. Причем переключение светового луча поддерживается приложенным к электрооптическому элементу электрическим полем. При снятии этого поля переключенный луч возвращается в исходное положение, т.е. данные переключатели не сохраняют переключенное состояние луча без потребления электрической энергии. Иными словами, они не имеют внутренней памяти.

Эти недостатки являются существенными при использовании переключателей для установления управляемой взаимосвязи между большим числом входных и выходных каналов.

Целью создания настоящей полезной модели являются расширение функциональных возможностей переключателя за счет создания внутренней памяти и снижения электропотребления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве фотонный кристалл изготовлен из сегнетоэлектрического кристалла с униполярной несимметричной петлей электрического гистерезиса, а электроды нанесены на грани кристалла, перпендикулярные кристаллографическому направлению [001].

Источник управляющего напряжения выбран двухполярным.

В качестве сегнетоэлектрического материала выбран кристалл стронций бариевого ниобата SBN-0,61.

На чертеже (фиг.1) изображена схема предлагаемого устройства. Она содержит:

1 - фотонный кристалл

2 - электроды

3 - источник управляющего напряжения

4 - световой луч

5 - блок управления

Устройство работает следующим образом:

Входящий, линейно поляризованный световой луч 4 направляют под углом Брэгга на входную поверхность фотонного кристалла 1. К электродам 2 прикладывают короткий электрический импульс заданной полярности от источника управляющего напряжения 3 по команде от блока управления 5. При этом световой луч 4, проходя через кристалл, меняет свое направление. Приложив такой же короткий электрический импульс противоположной полярности, возвращают направление светового луча 4 в исходное.

В фотонном кристалле, как и в прототипе, заранее создана голографическая решетка. Но, в отличие от прототипа, материалом служит кристалл с хорошо выраженной униполярной петлей электрооптического гистерезиса. Поэтому приложение к нему управляющего напряжения в направлении перпендикулярном кристаллографическому направлению [001], т.е. перпендикулярного направлению спонтанной поляризации кристалла, будет менять полярность спонтанной поляризации, и, тем самым, менять дифракционную эффективность кристалла. Причем направление спонтанной поляризации сохраняется и после снятия приложенного напряжения. В итоге измененное направление светового луча сохраняется и после снятия напряжения.

Для изменения полярности спонтанной поляризации кристалла достаточно напряжение в десятки вольт.

Чтобы вернуть направление луча в исходное, нужно приложить такое же напряжение противоположного знака.

Итак, при приложении к электродам 2 кратковременного напряжения одного знака, направление светового луча на выходе из устройства изменяется, а другого знака - возвращается в исходное положение.

Необходимость направления светового луча под углом Брэгга к голографической решетке обусловлена тем, что изменение показателя преломления под действием электрического поля спонтанной поляризации наблюдается только вдоль направления спонтанной поляризации.

Именно с этим связано то, что управляющее напряжение с помощью электродов прикладывается вдоль этого направления.

Таким образом, в заявляемом решении реализуется долговременная оптическая память. Скорость преобразования такая же, как и в прототипе.

Пример реализации и использования.

Из сегнетоэлектрического кристалла стронций бариевого ниобата SBN-0,61 с униполярной петлей электрооптического гистерезиса был изготовлен фотонный кристалл толщиной 100 мкм (расстояние между электродами). В нем была предварительно на голографической установке записана голографическая фоторефрактивная решетка параллельно кристаллографическому направлению [001], т.е. параллельно электродам. (Фотонный кристалл - это и есть электрооптический элемент, в данном случае, сегнетоэлектрический кристалл, в котором записана голографическая решетка). При положительной полярности спонтанной поляризации решетка имела максимальный контраст, а при отрицательной он был практически равен нулю.

Когда на этот элемент направляли линейно поляризованный световой луч (например, от гелий-неонового лазера), волновой вектор которого составлял угол Брэгга, с вектором записанный решетки, луч испытывал дифракцию на этой решетке и при выходе из элемента отклонялся от своего первоначального положения. При приложении электрического напряжения противоположной полярности к электродам контраст решетки падал до нуля, и входящий луч на выходе из элемента сохранял свое исходное направление. При снятии напряжения эффект сохранялся сколь угодно долго.

При кратковременном приложении напряжения обратной полярности контраст решетки восстанавливался, и выходящий луч снова менял свое направление. Для управления переключением требовалось приложить напряжение всего ~20 В. Спектральный диапазон 0,4-1,6 мкм. Время переключения 10^-12c.

Таким образом, по сравнению с прототипом достигнуты следующие преимущества.

1. Управляющее напряжение снижено по величине более чем на порядок.

2. Эффект переключения сохраняется и после снятия управляющего напряжения, т.е. для переключения достаточно одного короткого электрического импульса заданной полярности.

Представленные чертежи и описание позволяют, используя существующие материалы и технологии, изготовить предлагаемое устройство промышленным способом и использовать его для переключения направления световых лучей в оптических информационных каналах, например, в волоконно-оптических линиях связи, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.

[1] Schmidt U.J., Schroder Т., Thust W. "Optimization procedure for digital light beam deflection", Appl. Opt., 1973, v. 12, 3, p.460-466.

[2] Thaxter J.B., Kestigien M. "Unigue Properties of SBN and Their Use in a Layered Optical Memory", App.Opt., 1974, v. 13, 4, p.913.

1. Фотонно-кристаллический переключатель светового луча, включающий фотонный кристалл из сегнетоэлектрического материала с электродами, источник управляющего напряжения и блок управления, отличающийся тем, что фотонный кристалл изготовлен из сегнетоэлектрического кристалла с униполярной петлей электрооптического гистерезиса, электроды нанесены на грани кристалла, перпендикулярные кристаллографическому направлению [001], а источник управляющего напряжения выбран двухполярным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве сегнетоэлектрического материала выбран кристалл стронций бариевого ниобата SВN-0,61.