Оптически реконфигурируемый переключатель световых пучков

Полезная модель направлена на расширение количества технических средств, предназначенных для переключения световых пучков в волоконно-оптических линиях связи, и относится к области нелинейной волоконной и интегральной оптики, а точнее к области полностью оптических переключателей, и может быть использована в оптических компьютерах и волоконно-оптических линиях связи. Оптически реконфигурируемый переключатель световых пучков производит операции переключения посредством темных фотовольтаических пространственных солитонов и не требует приложения к кристаллу управляющего внешнего поля, управление переключением света осуществляется при помощи света. Практическая реализация оптически реконфигурируемого переключателя световых пучков представляется возможной на основе планарных оптических волноводов, полученных методом имплантации протонов, характеризующимся достаточно высокой точностью создания таких волноводов, что предоставляет возможность создания полностью идентичных серий элементов переключения световых пучков, в электрооптическом кристалле ниобата лития (LiNbO₃).

Полезная модель относится к области нелинейной волоконной и интегральной оптики, а точнее к области полностью оптических переключателей, и может быть использована в оптических компьютерах и волоконно-оптических линиях связи.

Особо привлекательной и перспективной предстает возможность создания элементов переключения световых пучков на основе фоторефрактивных кристаллов. Такие кристаллы позволяют создать на их основе полностью идентичные серии волноводных элементов путем формирования в них планарных оптических волноводов методом ионной имплантации. В подобных волноводах с фоторефрактивными свойствами возможно оптическое индуцирование канальных волноводных элементов. Оптически индуцированные элементы потенциально могут сохранять неизменность параметров в течение долгого времени (несколько лет), поскольку при легировании электрооптических кристаллов комбинациями фоторефрактивных примесей становится возможной оптическая фиксация элементов переключения. Вследствие наличия термооптического эффекта, в таких элементах, возможно, выполнять операции динамической модуляции световых полей при использовании управляющего излучения с длинами волн, лежащими в области полос поглощения материала.

Известно устройство «оптический переключатель с контролем состояния, использующий принцип электрокапиллярности» [Безуглый Борис Антонович; Тарасов Олег Александрович; патент на полезную модель, дата публикации: 2004.03.20, номер публикации: 2002117404], выбранное за аналог, заключающееся в том, что имеется две группы световодов, оптические пути которых пересекаются, одна из которых служит для переключения оптических каналов, а другая для контроля состояния переключателя, и замкнутый канал, частично заполненный жидким электролитом с коэффициентом преломления близким к коэффициенту преломления материала световодов так, что когда электролит находится в области пересечения путей одной из групп световодов, то в области пересечения путей другой группы световодов находится газ, в качестве подвижного элемента, перемещающего электролит к указанным областям, служит находящаяся в его объеме капля ртути, которую перемещают под действием электрокапиллярных сил путем подачи на два изолированных от электролита электрода напряжения соответствующей полярности, в канале перед областями пересечения путей световодов имеются сетки, перед каждой из сеток канал имеет расширение, а на стенки канала за этими областями нанесено несмачиваемое электролитом покрытие.

К недостаткам этого устройства относится использование жидкости для осуществления операций соединения между оптическими волноводами и использование ртути в качестве подвижного элемента, перемещающего электролит, что привносит риск отравления парами ртути при поломке или механическом разрушении элемента переключения, вследствие которого произойдет частичная или полная утечка ртути из элемента.

Наиболее близким аналогом является устройство «электроголографический оптический переключатель» [Роджел Ларри Рудольф, патент на полезную модель, дата публикации: 2003.04.10, номер публикации: 2001103130], заключающийся в том, что содержит параэлектрический фоторефрактивный материал, в котором хранится голограмма, восстановление которой является управляемым посредством приложенного электрического поля. Пространственная модуляция показателя преломления параэлектрического фоторефрактивного материала в нем возникает в результате квадратичного электрооптического эффекта, наведенного при помощи совместного действия пространственно-модулированного объемного заряда внутри параэлектрического фоторефрактивного материала и внешнего приложенного электрического поля. Содержит, по меньшей мере, два параэлектрических фоторефрактивных кристалла, в каждом из которых хранится, по меньшей мере, одна голограмма, восстановление которой является управляемым посредством электрического поля, которое прикладывается к каждому из упомянутых кристаллов, причем кристаллы располагаются так, чтобы световой луч пересекал их последовательно.

Основными недостатками этого устройства является применение двух фоторефрактивных кристаллов, что повышает себестоимость устройства и использование внешнего электрического поля для осуществления операций переключения.

Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств, а также упрощение схемы переключателя световых пучков с обеспечением возможности создания полностью идентичных серий элементов переключения, осуществляющих операции переключения пучков света без приложения внешнего электрического поля.

Поставленная задача решена за счет того, что операции переключения пучков света осуществляются посредством формирования лазерным пучком света с изменением знака поля в апертуре и интенсивностью порядка микроватт на квадратный сантиметр, темных пространственных фотовольтаических солитонов, которые обеспечивают переключение световых пучков, в планарном оптическом волноводе, полученном методом имплантации протонов в фоторефрактивном кристалле ниобата лития (LiNbO₃), благодаря чему возможно создание полностью идентичных серий элементов переключения.

На фиг.1 изображено распределение амплитуды u() и интенсивности |u()|² формирующего пучка.

На фиг.2 приведена схема формирования реконфигурируемого элемента переключения световых пучков.

Оптически реконфигурируемый переключатель световых пучков состоит из кристалла LiNbO₃ Х - среза размером 1,5×19×10 мм³ вдоль осей X, Y, Z. Волноводный слой толщиной 3,5 мкм создан методом имплантации протонов с энергией 500 кэВ и дозой 1·10¹⁷ см ^-2. Оптические потери для ТЕ₀ моды составляют 1 дБ/см при =633 нм.

Фиг.2 демонстрирует схему формирования элемента. Формирование переключателя осуществляется излучением Не-Ne лазера (1) (Р=1 мВт, =633 нм) с изменением знака поля в апертуре, которое достигается введением тонких стеклянных пластин (2, 3) в световой пучок, в результате чего в центре пучка образуется два темных провала необходимые для формирования темных пространственных солитонов. Микрообъектив с 8× кратным увеличением фокусирует формирующий и считывающий пучки в оптический планарный волновод (5), в котором осуществляется операция переключения световых пучков. Распределение интенсивности и амплитуды формирующего пучка представлено на фиг.1. Сформированный элемент переключения может быть зафиксирован методом оптической фиксации, при этом стереть элемент переключения световых пучков можно мощным однородным некогерентным излучением через объем кристалла, таким образом, осуществляется оптическая реконфигурация элемента.

Оптически реконфигурируемый переключатель световых пучков, характеризующийся полностью оптической реконфигурацией переключающего элемента и осуществлением оптически контролируемых операций переключения световых пучков, который формируется посредством темных пространственных фотовольтаических солитонов, образованных лазерным пучком света с изменением знака в половинках апертуры в планарном оптическом волноводе, полученном методом имплантации протонов в фоторефрактивном кристалле ниобата лития (LiNbO₃).