Оптический мультивибратор

 

Применение: нелинейная интегральная и волоконная оптика, создание сверхбыстродействующих оптических переключателей, и мультивибраторов. Сущность: мультивибратор включает туннельно связанные волноводы, 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 02 F 1/03

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

NI40NNAg - 1йщщущ

Бли©Т - Л

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4825182/25 (22) 14.05.90 (46) 30.03.93, Бюл. № 12 (71) Институт общей физики АН СССР (72) А.А.Майер (56) Майер А,А. Самопереключение света в интегральной оптике. Изв. АН СССР, сер. физ,: 1984, ¹ 8, № 7, с. 1441 -1446.

Майер А.А, Переключение излучения в туннельно-Связанных оптических волноводах слабым излучением на другой частоте, Препринт ИОФАН, M„¹ 122, 1985, с. 26, Квантовая электроника, 13, N- 11, 1986. с

1360-1368.

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, Целью изОбретения является устранение параэитного 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 (TQp) 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: RQp = 0,9, R1p = О, Явзу0, R1p = 0; б — на входы разных волноводов: RQp=

= 1,1, R1p = О, Ros = О, В1вФО; L = 1,6 1т, a = 0; на фиг.2 — устройства, основанные на нелинейных ТСВ с обратной связью. в качестве оптических мультивибраторов; на фиг.3— последовательности прямоугольных им„,5U„Ä 1805437 А1 (54) ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР . (57) Применение: нелинейная интегральная и волоконная оптика, создание сверхбыстродействующих оптических переключателей. и мультивибраторов. Сущность; мультивибратор включает туннельно связанные волноводы, на выходе которых формируются две противофазные последовательности прямоугольных импульсов, Предложенная схема оптического мультивибратора характеризует- 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. пульсов излучения на выходе ТСВ (для схемы. на фиг.2а,б, для схемы на фиг.2в !О1

Ф 111).

Метод чисто оптического переключения излучения в туннельно-связанных волново- QQ дах(ТСВ) вызывает все возрастающий инте- С рес в связи с возможностью создания на его у основе переключающих элементов для on- p тических 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 распределенно-связанными волнами (ОРСВ).

Исследование переключения накачки на частоте v (в ТСВ и других системах с

ОРСВ) с входной интенсивностью, близкой. к критической, слабым управляющим сигналом на частоте.и показано, в частности, что,, 1805437 выходные интенсивности волн не зависят от входных фаз сигнала и накачки, Предположим теперь другую, но во многом аналогичную ситуацию, а именно, что поляризации сигнала и накачки ортогональны друг другу (а их частоты одинаковы). В этом случае, как нетрудно убедиться, взаимодействие сигнала и накачки в изотропных

ТСВ описывается уравнениями:

I )3, — „— р + Kexp(la г2 ггг2 )А1р =

Л dА

=-ЯЬ (! Aopl + lAos )Аор, IP — — Р- + KexP(-Ia z2 Рг/г )АорЛ аА1

_#_ eiz

O)(!А1р I + I A» I )А1р, (1)

i )(3 + Kexp(ja z2 л/Л )А» =

Л dАоз

CI Z

=-8, (! АОз Р+!АОр фАО,, i /3 + Кехр(-ia z л/Л )Aos =j .

Л dA» о г

=-8,IA»I + I A1 I )А,, где Ajs, Ajp — амплитуды сигнала накачки в

j-м волноводе, полностью аналогичными уравнениям (7), но более простыми, так как в данном случае коэффициенты связи (К) волн сигнала и накачки одинаковы; одинаковы и их параметры расстройки а; в уравнения входит также один и тот же нелинейный коэффициенте!. Иными словами, уравнения (1) являются частным случаем уравнений (7); Разумеется, справедливы и соответствующие интегралы (7). в частноcTM: j0s+j» = j0so+j»p, (Ор+11р = 10рО+11рО, где

11, = !А1,1, ljp = !Alp — интенсивности

2 2 сигнала и накачки в j-м волноводе, а 11,(г=О)=

=-1;,о, ljp(z=O)= ljpQ — входные интенсивности волн. Поэтому естественно ввести коэффициенты передачи энергии j-м волноводом;

Tjs= l is e/(j oso+ j»0) ) р=11р1/(1ОрО+11рО), где

11,(г=1) 11 0 ljp(z=l) Ijpl — выходные интенсивности волн. Имеем: Тор+Т1р = 1,Tos+T» = 1.

Введем также нормированные (на критическое значение1 = 8К/ I Op + O)! ) входные интенсивности: Rjp=ljpo/jK(, Rj:=fjso/1А(и ноРмированнy)o длину L=2 Л КГ/ Л/3

В силу аналогичности уравнений (1) и (7), даже без решения (1), можно сделать вывод о том, что при подаче на вход сигнала, поляризованного ортогонально накачке, . выходные интенсивности сигнала и накачки не зависят от входных фаз сигнала (р1 0) и накачки ((/)1р0).

Численное решение (1) {см. фиг.1) подтвердило сказанное и для идентичных ТСВ (а =О, И, = Oj = О ) показало также следующее.

В случае, когда накачка и сигнал подаются на вход одного волновода (скажем, нулевоro3, имеем Ton=1 Qp, Т»=Т(p, сов{ Фр)=сов(4ъ), (где Ф1 =(/>jj — р0р, % =(/)» — ph, а (/)jp и (/)j> — фазы накачки и сигнала в j-м волно воде), т.е, накачка и сигнал полностью синх ронны, но могут быть разделены на выходе с помощью поляризатора. Средняя точка самоперек)ночения M отвечает соотношению

Йь=-1-Rop, для ее достижения входная интенсивность накачки должна быть чуть меньше критической т.е. Rop<1 (фиг.1а), Если Rop1-Rop-8exp(-L)>0,тоТ1р = T» = 1, ТОр =Тоз = О (точка M{ ); если Ro =1Rop+8exP(-L)>0< o Top = ТОз = 1, Т1р = Т»=

= О (точка M ). Крутизна характеристики в ,средней точке M (т.е, коэффициент усиления оптического транзистора) оценивается по известной формуле.(5): ks = д 1Ор1/У1ы

= exp(L)/8, В другом случае, когда накачка и сигнал

20 пода)отся на входы разных волноводов (накачка — на вход нулевого, а сигнал — на вход . первого) (фиг.1б), имеем; T»=Top, TQS=R1p, cos Ф1> =-cos ФЬ . Накачка с ростом слабого сигнала переключается с выхода нулевого волновода на выход первого волновода, а не наоборот (как при вводе и сигнала и накачки в нулевой волновод). Кроме того, в этом случае при большой мощности сигнала происходит Еще одно перекл)очение излучений накачки и сигнала.

В точке О имеем r ==Ro,-R»--0, т,е.

R»=RQp и ТОр=Т»=(1/2)(1+cos(L)). Таким образом, вблизи точки О существует "островок" с линейным режимом, где дТ1рЬ R» = О, В точках М> и М2 имеем г=1, т.е, в точке

М1 R»=Rop-l, a o To xe M2 R1s=Rop+1, Таким образом, точки Mr и М2 являются средними точками переключения соответственно для первого и второго перекл)очений. Для достижения точки М1 при малом сигнале входная интенсивность накачки должна быть чуть больше критической, т,е. Rop>1.

Если В18=ВОр-1-8ехР(-L)>0; то Тор =Т»=

=-1., Т1р =То р = О (точка Mjp{ ); если

R»=RQp-1+8exP(-L)>0, то Тор =Т» =О, Tjp= (1 ),.

=Та =1 (точка М1р ); Аналогично, для. вто-. рого переключения при R>g=Rop+1-8ехр(-L) >

> О имеем Top = T1s = О, Т1р = ТО„.

= 1(точка M2p "); а при В»=ВОр+1+Оехр(-1.)>0

50 ТОр =Т» = 1, Tip =Tos =4 (точка М2р ). (О)

Крутизна характеристики в средних точках М1 и М2 (т.е. коэффициент усиления ol)тического транзистора) оценивается по формуле (5): I k. !. = !д 11ре/д 1»oI=

55 (д 11в д!»О =ехр(1 )/8.

В областях самопереключения справедлива аппроксимация(5)

Т =43 5 (1 — — 1 г)/16 ехр L )

1 + (4/256 ) ехр (2 L ) 1805437 где r> «1-г=1-(Rop-Rls)

2 для случая ввода накачки и сигнала в разные волноводы, и r> =1-(Rpp+Rt<) для случая ввог да 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 = 1-8åõð(-L) 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 (23 на вход нулевого волновода (фиг.2а), причем коэффициент передачи энергии с выхода первого волновода на вход нулевого равен: о = 16ехр(-L)/Rpp = 16ехр(-L). Таким образом;

Яь=О. Rop = 1-8ехр(-(), Йъ= Rop = 16ехр(-L), Вор+Во = 1+8ехр(-L).

При таком выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс. Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент t=0, через время своего прохода по ТСВ. равное т, оказывается на выходе nepsoro волновода. Затем, через время т (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 t=27+ т, все излучение начинает выходить уже из нулевого волновода. Следовательно, в момент 1=2 r+

+2 zr прекращается ввод сигнала в нулевой волновод и поэтому в момент t=2A +

+3 t,все излучение вновь выходит из первого волновода, В дальнейшем процесс повторяется с периодом, равным 2(гг + г) (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,2б,в).

В схеме оптического мультивибратора на фиг.2в линейно поляризованная накачка с Rop = 1+8ехр(-L) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода нулевого волновода пропускается сквозь поляроид А, не пропускающий (s канал обратной связи) 50 соображений мо>кно сделать вывод, что отклонение угла поворота плоскости поляризации от 90 не дол>кно превышать 20 . B противном случае теряется положительный эффект изобретения.

Рассмотрим пример конкретной реализации изобретения.

Для создания оптического мультивибратора, схема которого v:çîáðàæåíà на фиг.2а, в качестве ТСВ использованы две одинаковые жилы двужильного волоконного световода. которые в сочетании с общей излучение, с поляризацией, ортогональной исходной, затем пропускается сквозь устрой-. ство Р, поворачивающее плоскость его поляризации на 90, и затем вводится в первый

5 волновод, причем коэффициент передачи мощности с выхода нулевого волновода на вход первого равен сг= 16ехр(-1)/Rpp. т.е, Яо;-О, Rpp =. 1+8ехр(-1 ), R1, = Rop = 16ех((-L).

При указанном выборе параметров в си10 стеме возникает следующий периодический процесс. Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент t-О, через время r оказывается на выходе нулевого волновода. Затем через время т часть этого излучения начинает вводиться в первый волновод, и поэтому еще через время т, т.е. в момент t=2 т + rr, все излучение начинает выходить уже из первого вол новода, Следовательно, в момент t=2 г + 2 г прекращается поступление сигнала в первый волновод и поэтому в момент -2 r< + 3 г все излучение накачки вновь выходит из нулевого волновода. В дальнейшем процесс повторяется с периодом 2(z + т) .

Итак, в обоих рассмотренных схемах на выходе волноводов формируются две противофазные последовательности импульсов почти прямоугольной формы (фиг.3). Длительность одного импульса равна тг+ т; в течение этого времени все излучение выходит либо из первого, либо из нулевого волнояода, Таким образом, система является ойтическим 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 90 Как известно, самопереключение излучения происходит, если L л, При этом коэффициент усиления изменения сигнала 1 =

=ехр(Е)/8 и при L=v ks-3. Поэтому разброс значений интенсивности сигнала (на входе

ТСВ) не должен превышать 30%, Из этих

1805437 б, (ol (o)

Тоу

2,4 оболочкой иэ плавленного кварца образовывали одномодовые волноводы, туннельно-связанные между собой. Скачок показателя преломления между жилой и оболочкой hn = 0,005, радиус одной жилы 5 а= 1,3 мкм; площадь поперечного сечения

S = 5 10 см; расстояние между краями жил составляло 6 мкм; длина одной перекачки в линейном режиме tb = 4 м; коэффициент туннельной связи К =10 ; длина ТСВ 10 — 6 м; 1 = 1,6 л . Нелинейный коэффициент О - "10 " GM /çðã, критическая мощность =3,5 Вт, На вход мультивибратора поступало излучение от аргонового лазера (il = 0,51 мкм) мощностью = 4,2 Вт. В каче- 15 стае смесителя (у входа нулевого волновода) использовали полупрозрачное зеркало с коэффициентом отражения = 20% и коэффициентом пропускания = 80%. Поэтому в нулевой волновод первоначально поступа- 20 ло излучение мощностью примерно 3,3 Вт, что отвечало интенсивности 4 . При этом (1 почти все излучение выходило иэ первого волновода и направлялось (с помощью зеркал) по каналу обратной связи на вход нуле- 25 вого 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 TCB т = 30 нм. Коэффициент передачи мощности излучения с выхода первого волновода на вход нулевого составлял o =

10,4%, поэтому через время т+ = 50 нс 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. B результате еще через время t = 30 нм почти все излучение общей мощностью 3,66 Вт оказывалось на выходе нулевого волновода. B дальнейшем .процесс повторялся с периодом т + х = 50 нс и на выходе волноводов формировались две и ротиво фазные посл едовател ьн ости прямоугольных импульсов, причем длительность каждого импульса составляла примерно 50 нс.

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 шийся тем, что, с целью повышения стабильности выходных оптических импульсов, между оптически соединенными выходом и входом установлено устройство, поворачивающее плоскость поляризации излучения на 90+

20о

1805437

П П

01!

Л П (В) 01

Редактор

Заказ 941 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

1.!

11

ФиГ.Э.

Составитель А.Майер

Техред М,Моргентал Корректор А,Обручар