RU2096815C1 - Optical switching-over element - Google Patents

Optical switching-over element Download PDF

Info

Publication number
RU2096815C1
RU2096815C1 RU94032126A RU94032126A RU2096815C1 RU 2096815 C1 RU2096815 C1 RU 2096815C1 RU 94032126 A RU94032126 A RU 94032126A RU 94032126 A RU94032126 A RU 94032126A RU 2096815 C1 RU2096815 C1 RU 2096815C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
refractive index
optical
substrate
nonlinear
Prior art date
Application number
RU94032126A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94032126A (en
Inventor
Ольга Викторовна Гончарова
Андрей Васильевич Демин
Original Assignee
Ольга Викторовна Гончарова
Андрей Васильевич Демин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ольга Викторовна Гончарова, Андрей Васильевич Демин filed Critical Ольга Викторовна Гончарова
Priority to RU94032126A priority Critical patent/RU2096815C1/en
Publication of RU94032126A publication Critical patent/RU94032126A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2096815C1 publication Critical patent/RU2096815C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: optical switching-over element has substrate 1, nonlinear element 2 located on surface of substrate. Nonlinear element 2 presents thin film of material with low refractive index nl and microcrystals inserted into it formed from material with high refractive index nh and having size d found from relationship 0,2•ao< d < 3ao, nm, where ao is Bohr radius of excision of starting high refractivity material. Plate of material with low refractive index or plate of high refractivity material including metal with coat based on material with low refractive index is used as substrate 1. Nonlinear element 2 is deposited on substrate 1 by any known method of growth of films, in particular, by method of vacuum sputtering. EFFECT: facilitated manufacture of optical elements, enhanced stability of functional characteristics of optical element. 3 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике и интегральной оптике и может быть использовано для создании малоинерционных оптических логических устройств и пикосекундных переключателей, работающих в УФ-, видимом и ИК-диапазонах длин волн (в том числе в качестве быстродействующих защитных устройств от УФ-излучения и пассивных затворов в импульсных твердотельных неодимовых лазерах). The invention relates to optoelectronics and integrated optics and can be used to create low-inertia optical logic devices and picosecond switches operating in the UV, visible and IR wavelength ranges (including as high-speed protective devices against UV radiation and passive shutters in pulsed solid-state neodymium lasers).

Известные оптические переключатели (ключи) (независимо от сложности конструкции) являются элементом, который может находиться в двух различных состояниях, характеризующихся высоким (открытое состояние) и низким (закрытое) пропусканием T на заданной длине волны излучения λвозб. В идеальном ключе в открытом состоянии T 1, а в закрытом T 0, переход из одного состояния в другое происходит мгновенно. Основными параметрами оптического ключа являются контраст ключа M T0/Tз, где T0, Tз пропускание ключа в открытом и закрытом состояниях соответственно; быстродействие, характеризуемое временами включения, выключения и частотой переключения; энергия E0 удержания ключа в закрытом состоянии; энергия E1, с превышением которой ключ всегда находится в открытом состоянии; энергия EB E1 E0, расходуемая на переключение.Known optical switches (keys) (regardless of design complexity) are an element that can be in two different states, characterized by high (open state) and low (closed) transmittance T at a given radiation wavelength λ exc . In an ideal key, in the open state T 1, and in the closed T 0, the transition from one state to another occurs instantly. The main parameters of the optical key are the key contrast MT 0 / T C , where T 0 , T C key transmission in open and closed states, respectively; performance characterized by the on, off and switching times; key holding energy E 0 ; energy E 1 , in excess of which the key is always in the open state; energy E B E 1 E 0 spent on switching.

Известной группой оптических переключающих элементов являются тонкопленочные интерферометры (ТПИ) Фабри-Перо. Они представляют собой многослойную интерференционную систему, состоящую из двух диэлектрических зеркал, формируемых чередующимися четвертьволновыми слоями одинаковой оптической толщины с высоким nв и низким nн показателями преломления, lвnв= lнnн= λm/4(λm длина волны пика пропускания интерферометра) и промежуточного слоя заданной толщины ln = mλm/2 (m порядок интерференции, как правило, m 2). В качестве нелинейного (промежуточного) слоя в известных ТПИ-переключателях применяются однокомпонентные пленки произвольной структуры. Эксплуатационные характеристики известных ТПИ-ключей задаются оптической толщиной nl и материалом промежуточного слоя.A well-known group of optical switching elements are Fabry-Perot thin-film interferometers (TPI). They are a multilayer interference system consisting of two dielectric mirrors formed by alternating quarter-wave layers of the same optical thickness with high n in and low n n refractive indices, l in n in = l n n n = λ m / 4 (λ m wavelength peak transmittance of the interferometer) and the intermediate layer of a given thickness ln = mλ m / 2 (m is the order of interference, as a rule, m 2). As a nonlinear (intermediate) layer in the known TPI switches, one-component films of an arbitrary structure are used. The operational characteristics of the known TPI keys are specified by the optical thickness nl and the material of the intermediate layer.

Были изготовлены ТПИ-переключатели и логические элементы на основе целого ряда высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов. Чрезвычайно большой интерес к ТПИ-переключателям связан с принципиальной возможностью создания приборов на основе хорошо освоенного технологами вакуумного напыления интерференционных структур (R. J. Campbell, J. G. H. Mathew, S. D. Smith and A. C. Walker, J. Modern Optics, 1989. vol. 36, N3. p. 323-336). TPI switches and logic elements were manufactured on the basis of a number of highly refractive and low refractive materials. Extremely great interest in TPI switches is associated with the fundamental possibility of creating devices based on the well-developed technology of vacuum deposition of interference structures (RJ Campbell, JGH Mathew, SD Smith and AC Walker, J. Modern Optics, 1989. vol. 36, N3. P. 323-336).

Конструкция известного ТПИ-переключателя приведена на фиг. 1,a. В статическом состоянии ТПИ-элемент (m 2) характеризуется контуром пропускания, приведенным на фиг. 1,б. Характеристиками его являются длина волны максимума пропускания λm величина коэффициента пропускания в максимуме Tmax и ширина полосы пропускания δλ0.5 для значения пропускания, равного половине максимального Tmax/2 (обычно обозначается как δλ) ). Положение по спектру пропускания λm и величина коэффициента пропускания в интерференционном пике Tmax задают рабочий диапазон длин волн и контраст ТПИ-переключателя (А. Эйбрэхэм, К.Т.Ситон, Д.Смит. В мире науки, 1983, N 4, с. 15-25).The construction of the known TPI switch is shown in FIG. 1, a. In the static state, the TPI element (m 2) is characterized by the transmission circuit shown in FIG. 1 b Its characteristics are the maximum transmittance wavelength λ m the maximum transmittance T max and the passband width δλ 0.5 for a transmittance equal to half the maximum T max / 2 (usually denoted as δλ). The position in the transmittance spectrum λ m and the transmittance in the interference peak T max specify the operating wavelength range and the contrast of the TPI switch (A. Eibraham, K.T. Siton, D. Smith. In the world of science, 1983, No. 4, p. . 15-25).

В основе работы известного ТПИ-переключателя лежат зависимости коэффициента пропускания ТПИ

Figure 00000002

и усредненной по толщине интенсивности поля в его промежуточном слое
Figure 00000003

от набега фаз δ интерферирующих световых волн при проходе промежуточного слоя
Figure 00000004

где n показатель преломления, a коэффициент поглощения, l - геометрическая толщина промежуточного слоя, величины R, q и Φ соответственно коэффициент отражения зеркал, угол между направлением распространения лучей в промежуточном слое и нормалью к нему и скачок фазы при отражении от зеркал.The well-known TPI switch is based on TPI transmittance dependencies
Figure 00000002

and the field intensity averaged over the thickness in its intermediate layer
Figure 00000003

from the phase advance δ of interfering light waves during the passage of the intermediate layer
Figure 00000004

where n is the refractive index, a is the absorption coefficient, l is the geometric thickness of the intermediate layer, the values of R, q, and Φ are, respectively, the reflection coefficient of the mirrors, the angle between the direction of propagation of the rays in the intermediate layer and the normal to it, and the phase jump upon reflection from the mirrors.

В случае, когда промежуточный слой представляет собой пленочную среду, проявляющую оптическую нелинейность показателя преломления, феноменологически описываемую выражением

Figure 00000005

где n2 параметр этой нелинейности, n0 показатель преломления высокопреломляющего (низкопреломляющего) материала промежуточного слоя в слабом световом поле,
наличие всех перечисленных зависимостей приводит к динамическому сдвигу контура пропускания, который и служит основой работы известных оптических переключающих устройств (см. фиг. 1,б). Если первоначально длина волны воздействующего светового пучка находится вдали от пика пропускания ТПИ-элемента (фиг. 1,б, кривая 1), причем знак отстройки противоположен знаку коэффициента нелинейности показателя преломления, то увеличение входной интенсивности смещает контур пропускания ТПИ-элемента в сторону λвозб вследствие светоиндуцированной рефракции (фиг. 1,б, кривая 2). Это смещение приводит к возрастанию плотности поля внутри промежуточного слоя ТПИ-элемента (благодаря интерференционному усилению
Figure 00000006
), тем самым толкая контур пропускания ТПИ-элемента еще ближе к λвозб При некоторых условиях этот процесс становится самоподдерживающимся, приобретая лавинообразный характер, и контур ТПИ-элемента скачком переходит в состояние максимального пропускания на длине волны возбуждения (открытое состояние). Здесь плотность светового поля внутри интерферометра особенно велика, и поэтому контур пропускания ТПИ-элемента продолжает движение за Tmax на длине волны возбуждения до тех пор, пока уменьшение
Figure 00000007
за счет ухода от резонанса не остановит устройство в новом устойчивом состоянии (фиг. 1,б, кривая 3). Поскольку в этом состоянии ТПИ-элемент характеризуется высоким пропусканием, то для удержания его в этой точке требуется меньшая входная интенсивность вследствие почти максимального резонансного усиления
Figure 00000008
Таким образом, существует ключевая зависимость интенсивности выходящего светового Iт пучка и плотности мощности светового поля внутри нелинейного слоя ТПИ от интенсивности падающего светового пучка I0 (H. M.Gibbs, S.L.McCall, T. N. C.Venkatesan. Optical Engineering. 1980, vol. 19, N4, р. 463-468). Выключение ТПИ-элемента происходит за счет уменьшения интенсивности падающего сигнала. Время переключения τsw определяется временем релаксации нелинейности.In the case where the intermediate layer is a film medium exhibiting optical nonlinearity of the refractive index, phenomenologically described by the expression
Figure 00000005

where n 2 is the parameter of this nonlinearity, n 0 is the refractive index of the high refractive (low refractive) material of the intermediate layer in a weak light field,
the presence of all these dependencies leads to a dynamic shift of the transmission circuit, which serves as the basis for the operation of known optical switching devices (see Fig. 1, b). If initially the wavelength of the incident light beam is far from the transmission peak of the TPI element (Fig. 1, b, curve 1), and the detuning sign is opposite to the sign of the nonlinearity of the refractive index, then an increase in the input intensity shifts the transmission contour of the TPI element in the direction λ exc due to light-induced refraction (Fig. 1, b, curve 2). This shift leads to an increase in the field density inside the intermediate layer of the TPI element (due to interference amplification
Figure 00000006
), thereby pushing the transmission contour of the TPI element even closer to λ exc Under certain conditions, this process becomes self-sustaining, acquiring an avalanche-like character, and the contour of the TPI element jumps into the state of maximum transmission at the excitation wavelength (open state). Here, the density of the light field inside the interferometer is especially high, and therefore the transmission contour of the TPI element continues to move beyond T max at the excitation wavelength until the decrease
Figure 00000007
due to avoiding resonance, it will not stop the device in a new stable state (Fig. 1, b, curve 3). Since the TPI element is characterized by high transmittance in this state, to keep it at this point, a lower input intensity is required due to the almost maximum resonant gain
Figure 00000008
Thus, there is a key dependence of the intensity of the outgoing light I t beam and the power density of the light field inside the nonlinear TPI layer on the intensity of the incident light beam I 0 (HMGibbs, SLMcCall, TNCVenkatesan. Optical Engineering. 1980, vol. 19, N4, p. 463- 468). Turning off the TPI element occurs by reducing the intensity of the incident signal. The switching time τ sw is determined by the relaxation time of the nonlinearity.

Несмотря на эффективность известного переключающего устройства, позволяющего получать высокий контраст переключения за счет малых сдвигов контура пропускания

Figure 00000009
достижение нелинейного пропускания ТПИ-элемента осложняется технологическими ограничениями толщины нелинейного слоя значениями
Figure 00000010

Большим недостатком известного ТПИ-ключа является также инерционность теплового механизма нелинейности промежуточного слоя. Используемая в переключающих ТПИ-элементах нелинейность тепловой природы не позволяет достичь высокого быстродействия. Время восстановления в лучших системах такого рода (R 90% Tmax 60% δλ 2 нм) на монокристаллических подложках с высокими коэффициентами теплопроводности Al2O3, SiO2, BaF2 при диаметре фокусировки ⌀ ≈ 10 мкм составляет τ ≈ 100 ... 20 мкс при непрерывном возбуждении и 0,5 мкс при квазиимпульсном тактировании входного сигнала (G.V.Sinitsyn. Phys. Stat. Sol.(b). 1988, vol. 150, N 2, р. 455-464).Despite the effectiveness of the known switching device, which allows to obtain a high switching contrast due to small shifts of the transmission circuit
Figure 00000009
Achieving non-linear transmission of the TPI element is complicated by the technological limitations of the thickness of the non-linear layer by the values
Figure 00000010

A big disadvantage of the known TPI key is also the inertia of the thermal mechanism of the nonlinearity of the intermediate layer. The nonlinearity of the thermal nature used in the switching TPI elements does not allow achieving high speed. The recovery time in the best systems of this kind (R 90% T max 60% δλ 2 nm) on single-crystal substrates with high thermal conductivity Al 2 O 3 , SiO 2 , BaF 2 with a focusing diameter ⌀ ≈ 10 μm is τ ≈ 100 ... 20 μs for continuous excitation and 0.5 μs for quasi-pulse clocking of the input signal (GVSinitsyn. Phys. Stat. Sol. (B). 1988, vol. 150, No. 2, p. 455-464).

При изготовлении известных ТПИ-переключателей широко применяются методы испарения и распыления, а в случаях проводящих прозрачных покрытий - химического осаждения из паровой фазы. Методы плазменной полимеризации и ионного распыления пока не используются. Распыление и испарение достаточно сложные процессы, включающие распыление или испарение индивидуальных атомов или молекул исходного объемного материала мишени, транспортировку газовой фазы и конденсацию ее на поверхности подложки. Вследствие ряда силовых физических процессов, изменяющих при этом состояние вещества (плавление, испарение и т. п. ), число неорганических соединений, удобных для изготовления известных ТПИ-переключателей, существенно ограничено. Из них следует выбрать лишь те, которые в рамках конкретной технологии обеспечивают воспроизводимость стехиометрического состава исходных материалов в пленочных покрытиях, что ограничивает диапазон длин волн, где могут быть изготовлены известные ТПИ-переключатели. In the manufacture of known TPI switches, evaporation and spraying methods are widely used, and in the case of conductive transparent coatings, chemical vapor deposition. Plasma polymerization and ion sputtering methods have not yet been used. Sputtering and evaporation are quite complex processes, including sputtering or evaporation of individual atoms or molecules of the initial bulk target material, transportation of the gas phase and its condensation on the surface of the substrate. Due to a number of forceful physical processes that change the state of the substance (melting, evaporation, etc.), the number of inorganic compounds convenient for the manufacture of known TPI switches is significantly limited. Of these, you should choose only those that, within the framework of a particular technology, ensure reproducibility of the stoichiometric composition of the starting materials in film coatings, which limits the wavelength range where known TPI switches can be made.

Следующим недостатком известных ТПИ-переключателей является временная нестабильность спектральных и амплитудных характеристик, обусловленная структурной, химической и механической нестабильностью устройства (R.J.Campbell, J. G. H. Mathew, S.D.Smith, A.C.Walker. Appl.Opt. 1990, vol. 29, N5. р 638-643). Основные причины нестабильности многослойных пленочных устройств обусловлены отличием структуры отдельных пленочных слоев от монокристаллической, возможностью механических напряжений на их границах и наличием подложки. Another disadvantage of the known TPI switches is the temporary instability of the spectral and amplitude characteristics due to the structural, chemical and mechanical instability of the device (RJCampbell, JGH Mathew, SDSmith, ACWalker. Appl.Opt. 1990, vol. 29, N5. P 638- 643). The main reasons for the instability of multilayer film devices are due to the difference in the structure of individual film layers from single-crystal, the possibility of mechanical stresses at their boundaries and the presence of a substrate.

Контроль технологических параметров, влияющих на временную стабильность ТПИ-ключа, трудно осуществить, так как знания о параметрах, которые необходимо контролировать, являются неполными и из-за отсутствия инструментальной оснастки для такого контроля. Поэтому вопрос об изготовлении стабильных ТПИ-ключей решается отдельно в рамках каждой технологии физического наращивания пленочных покрытий с учетом свойств исходных материалов. The control of technological parameters that affect the temporary stability of the TPI key is difficult to implement, since the knowledge of the parameters that need to be controlled is incomplete due to the lack of tooling for such control. Therefore, the issue of manufacturing stable TPI keys is decided separately within each technology for the physical building-up of film coatings, taking into account the properties of the starting materials.

Нестабильность пленочных систем на основе высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов определяется не только неоднородностью их структуры, приводящей к процессам перекристаллизации при наличии тепловых воздействий, но и физическими свойствами самих исходных материалов, нетвердостью, окисляемостью и гигроскопичностью большинства из них. The instability of film systems based on highly refracting and low refracting materials is determined not only by the heterogeneity of their structure, leading to recrystallization processes in the presence of thermal effects, but also by the physical properties of the starting materials themselves, the hardness, oxidizability and hygroscopicity of most of them.

Технология изготовления резонаторных ключей сложна и дорогостояща. К недостаткам резонаторных переключающих элементов относятся также необходимость создания внешних зеркал, ограничения, накладываемые на расходимость и когерентность световых потоков, а в случае пикосекундных механизмов нелинейности существенными могут быть ограничения, обусловленные необходимостью многих проходов луча в резонаторе. Достаточно сложной технологически и, в первую очередь, при условии использования многополосных (многочастотных) ТПИ-переключателей, характеризующихся большим числом рабочих длин волн, по-прежнему остается проблема изготовления ТПИ-переключателей с пиком пропускания в области резонанса электронного механизма нелинейности. The manufacturing technology of resonator keys is complex and expensive. The disadvantages of resonator switching elements also include the need to create external mirrors, the restrictions imposed on the divergence and coherence of the light fluxes, and in the case of picosecond nonlinearity mechanisms, the limitations due to the need for many beam passes in the resonator can be significant. Rather complex technologically and, first of all, subject to the use of multi-band (multi-frequency) TPI switches, characterized by a large number of operating wavelengths, the problem of manufacturing TPI switches with a transmission peak in the resonance region of the electronic nonlinearity mechanism remains.

Реализация оптического переключателя возможна и без резонатора, но при повышающемся с увеличением интенсивности поглощении (абсорбционная нелинейность) (Н. Р.Кулиш, Н.И.Малыш, В.И.Рыков. УФЖ, 1993, vol. 38, N 4. р. 525-529). The implementation of the optical switch is possible without a resonator, but with increasing absorption with increasing intensity (absorption nonlinearity) (N. R. Kulish, N. I. Malysh, V. I. Rykov. UFZh, 1993, vol. 38, N 4. p 525-529).

Известен оптический переключатель, в котором нелинейный слой представляет собой планарный волновод с призменным элементом связи. Одновременное распределение излучения в волноводном слое делает известный переключатель похожим на безрезонаторную систему, в то время как взаимодействие излучения моды с излучением в устройстве связи обусловлено интерференцией и подобно таковому в ТПИ-элементах (P. Vincent, N.Paraire, M.Neviere et al. JOSA B. 1985, vol 2, N7, р. 1106-1116). An optical switch is known in which the non-linear layer is a planar waveguide with a prism coupling element. The simultaneous distribution of radiation in the waveguide layer makes the well-known switch similar to a resonatorless system, while the interaction of mode radiation with radiation in the communication device is caused by interference and similar to that in TPI elements (P. Vincent, N. Paraire, M. Neviere et al. JOSA B. 1985, vol 2, N7, p. 1106-1116).

Конструкция волноводных переключателей элементов менее сложна в технологическом плане (по отношению к ТПИ-переключателям) (фиг. 2, а) и позволяет существенно увеличить длину оптического пути n1 обрабатываемого сигнала. Известные переключатели состоят из подложки 1 и сформированного на ней волноводного I-слоя 2. Контраст известного переключающего устройства требует высокого уровня модуляции амплитуды светового сигнала в нелинейном I-слое (см. фиг. 2, б). The design of the waveguide switches of the elements is less technologically complicated (with respect to the TPI switches) (Fig. 2, a) and allows one to significantly increase the optical path length n1 of the processed signal. Known switches consist of a substrate 1 and a waveguide I-layer formed on it. The contrast of the known switching device requires a high level of modulation of the amplitude of the light signal in the nonlinear I-layer (see Fig. 2, b).

В планарной волноводной конфигурации были изготовлены тонкопленочные переключатели и логические элементы на основе целого ряда материалов. В качестве одномодового волновода известные оптические переключатели использовали монокристаллические пленки ZnSe, выращенные методом металлоорганической фазовой эпитаксии на ориентирующих подложках GaAs (B.G.Kim, E.Garmire, N.Shibata, S. Zembutsu. Appl.Phys.Let.1987, vol. 51, N7, р. 475-477) и кварцевые слои (длиной l 10 мм), легированные микрокристаллами CdS (H.Jerominek, M. Pigeon, S.Patela, et al. J.Appl.Phys. 1988, vol. 63, N3, р. 957-959) и CdSSe (D. Cotter, C.N.Ironside, B.J.Ainslie et al. Opt.Let. 1989, vol. 14, N 6, р. 317-319). В качестве переключаемого сигнала использовалось непрерывное излучение неодимового лазера (λвозб примерно составляет 488 нм), фокусируемое в волноводный слой с помощью объектива, и четырехпикосекундные лазерные импульсы с энергией E приблизительно равной 120 пДж на длине волны λвозбприблизительно равной 610 нм, соответствующей краю поглощения образца. Порог включения известного переключателя внутри волновода составлял P приблизительно 15 мВт, а времена переключения τsw приблизительно равные 10-100 мкс. Тонкопленочная планарная конфигурация известных оптических переключателей элементов снижает энергетический порог срабатывания логического элемента по отношению к объемным аналогам. Что же касается времен релаксации, то более перспективной в таких безрезонаторных диссипативных переключающих элементах является оптическая нелинейность электронной природы.In a planar waveguide configuration, thin-film switches and logic elements based on a number of materials were manufactured. As a single-mode waveguide, the known optical switches used ZnSe single-crystal films grown by organometallic phase epitaxy on GaAs orienting substrates (BGKim, E. Garmire, N.Shibata, S. Zembutsu. Appl.Phys. Let. 1987, vol. 51, N7, 475-477) and quartz layers (l 10 mm long) doped with CdS microcrystals (H. Jerominek, M. Pigeon, S. Patela, et al. J. Appl. Phys. 1988, vol. 63, N3, p 957-959) and CdSSe (D. Cotter, CNIronside, BJAinslie et al. Opt. Let. 1989, vol. 14, No. 6, p. 317-319). As the switched signal, we used cw radiation from a neodymium laser (λ exc approximately 488 nm) focused into the waveguide layer using an objective, and four-picosecond laser pulses with an energy E approximately equal to 120 pJ at a wavelength λ exc approximately 610 nm corresponding to the absorption edge sample. The switching threshold of the known switch inside the waveguide was P approximately 15 mW, and the switching times τ sw approximately 10-100 μs. The thin-film planar configuration of the known optical switch elements reduces the energy threshold of the logic element with respect to volumetric analogs. As for relaxation times, optical nonlinearity of an electronic nature is more promising in such resonatorless dissipative switching elements.

К недостаткам известных оптических переключателей относится малоинерционный (тепловой) механизм нелинейности и высокая технологическая сложность изготовления. Известные оптические переключатели используют волноводные пленки, оптические потери в которых не должны превышать 1 дБ/см2. Волноводы, изготовленные традиционными методами термического испарения в вакууме, малопригодны как оптические по причине значительных потерь (10.20 дБ/см2). Использование нелинейного материала в виде тонких пленок и в данном случае создает большие технологические и эксплуатационные трудности, связанные с нестабильностью их свойств во времени и в процессе эксплуатации, недостаточной их воспроизводимостью и т.д.The disadvantages of the known optical switches include a low-inertia (thermal) non-linearity mechanism and high technological complexity of manufacturing. Known optical switches use waveguide films, the optical loss of which should not exceed 1 dB / cm 2 . Waveguides manufactured by traditional methods of thermal evaporation in vacuum are of little use as optical ones due to significant losses (10.20 dB / cm 2 ). The use of non-linear material in the form of thin films in this case also creates great technological and operational difficulties associated with the instability of their properties over time and during operation, their insufficient reproducibility, etc.

Наиболее близким по технической сущности заявляемого изобретения являются безрезонаторные оптические ключи. The closest in technical essence of the claimed invention are resonatorless optical keys.

Известный безрезонаторный переключающий элемент содержит подложку 1 и нелинейный слой 2 (фиг. 3, а). При этом использовался неволноводный режим засветки переключаемое излучение распространялось перпендикулярно плоскости нелинейного слоя. Known resonatorless switching element contains a substrate 1 and a nonlinear layer 2 (Fig. 3, a). In this case, the non-waveguide regime of illumination was used. Switching radiation propagated perpendicular to the plane of the nonlinear layer.

Нелинейный слой известных безрезонаторных переключателей и логических элементов представлял собой однокомпонентные пленки произвольной структуры на основе целого ряда высокопреломляющих и низкопреломляющих материалов, в частности аморфные слои, монокристаллические слои ZnSe, CdS, GaAs, InSb, микрокристаллические пленки CdS и поликристаллические пленки CdSSe (H.J.Eichler, A.Haase, K.Janiak et al. Opt. Commun. 1992, vol. 88, N1, р. 298-304). The non-linear layer of the known resonatorless switches and logic elements consisted of single-component films of arbitrary structure based on a number of highly refracting and low-refracting materials, in particular amorphous layers, single-crystal layers of ZnSe, CdS, GaAs, InSb, microcrystalline CdS films and polycrystalline AJE Cd films Haase, K. Jani et al. Opt. Commun. 1992, vol. 88, N1, p. 298-304).

Принцип действия известных переключающих элементов заключается в следующем. Прохождение излучения через нелинейный слой элемента вызывает существенный рост поглощения в нем и соответственно приводит к уменьшению пропускания в I-слое, а с некоторых (пороговых) значений интенсивности к полному его затемнению (закрытое состояние) (фиг. 3, б). Таким образом, возникает ключевая зависимость прошедшего излучения с ростом мощности падающего. Низкое быстродействие известных переключающих элементов объясняется тепловым механизмом нелинейности. The principle of operation of the known switching elements is as follows. The passage of radiation through the nonlinear layer of the element causes a significant increase in absorption in it and, accordingly, leads to a decrease in transmittance in the I-layer, and from some (threshold) intensity values to its complete dimming (closed state) (Fig. 3, b). Thus, a key dependence of transmitted radiation arises with increasing incident power. The low performance of known switching elements is explained by the thermal mechanism of nonlinearity.

Известные тонкопленочные оптические переключающие элементы - интерферометры Фабри-Перо, использующие дисперсионную нелинейность и беззеркальные слои, работающие на насыщении поглощения, обладают микросекундным быстродействием, объясняемым термооптическим механизмом нелинейности (H.M.Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light. N.Y. 1985). Проблемой остается синтез тонкопленочных переключающих элементов, инерционность которых определялась бы пикосекундными электронными механизмами нелинейности, а не медленными тепловыми. Величины нелинейности при этом должны обеспечивать модуляцию интенсивности обрабатываемого сигнала, достаточную для реализации переключающего устройства. Последнее условие задает геометрическую толщину l, необходимую для проявления нелинейности среды, ограничивая выбор конструкций тонкопленочного устройства. Known thin-film optical switching elements, Fabry-Perot interferometers using dispersion nonlinearity and mirrorless layers that operate on saturation of absorption, have microsecond speed due to the thermo-optical mechanism of nonlinearity (H.M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light. N.Y. 1985). The problem remains the synthesis of thin-film switching elements, the inertia of which would be determined by picosecond electronic nonlinearity mechanisms, rather than slow thermal ones. The values of nonlinearity in this case should provide modulation of the intensity of the processed signal, sufficient to implement a switching device. The last condition sets the geometric thickness l necessary for the manifestation of the nonlinearity of the medium, limiting the choice of structures of a thin-film device.

В основу настоящего изобретения положена задача улучшения эксплуатационных характеристик оптического переключателя: сокращения времени переключения, расширения диапазона рабочих длин волн, уменьшения разогрева в процессе высокой тактовой частоты переключений, повышения стабильности работы. The present invention is based on the task of improving the operational characteristics of the optical switch: reducing switching time, expanding the range of operating wavelengths, reducing heating during high switching frequencies, increasing stability.

Поставленная задача решается тем, что, в переключающем элементе, содержащем подложку со сформированным на ней нелинейным слоем, согласно изобретению нелинейный слой формируют методом физического наращивания тонкого слоя материала с низким показателем преломления nн и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления nв и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2•аo <d <3ao, нм,
где а0 боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала.The problem is solved in that, in the switching element containing the substrate with a non-linear layer formed on it, according to the invention, the non-linear layer is formed by physically building up a thin layer of material with a low refractive index n n and microcrystals embedded in it formed from a material with a high refractive index n in and having a size d, determined from the ratio:
0.2 • a o <d <3a o , nm,
where a 0 is the Bohr radius of the exciton of the initial highly refractive material.

Наилучшие эксплуатационные параметры переключающего элемента можно получить, если в качестве подложки использовать диэлектрик или высокопреломляющий материал (в том числе металл) с диэлектрическим покрытием на основе твердых, герметизирующих материалов с высокими коэффициентами теплопроводности: AlN, BN, SiC, Al2O3, SiO2, CaF2, BaF2, полимеры.The best operating parameters of the switching element can be obtained by using a dielectric or highly refractory material (including metal) with a dielectric coating on the basis of solid, sealing materials with high thermal conductivity: AlN, BN, SiC, Al 2 O 3 , SiO 2 , CaF 2 , BaF 2 , polymers.

Для повышения механической прочности переключающего устройства, стабильности его работы при высокой тактовой частоте переключений в качестве низкопреломляющего материала нелинейного слоя также используют материалы из ряда AlN, BN, SiC, Al2O3, SiO2, CaF2, BaF2, полимеры.To increase the mechanical strength of the switching device and the stability of its operation at a high switching frequency of switching, materials from the series AlN, BN, SiC, Al 2 O 3 , SiO 2 , CaF 2 , BaF 2 , and polymers are also used as low-refracting material of the nonlinear layer.

С этой же целью целесообразно в качестве низкопреломляющего материала нелинейного слоя, материала диэлектрической подложки или диэлектрического покрытия подложки из высокопреломляющего материала (в том числе металла) использовать одно и то же соединение. При идентичности материала подложки и низкопреломляющего материала нелинейного слоя достигается снижение величины механических напряжений и повышение коэффициентов адгезии на границе нелинейный слой подложка. For the same purpose, it is advisable to use the same compound as the low-refracting material of the nonlinear layer, the material of the dielectric substrate, or the dielectric coating of the substrate of the highly refractive material (including metal). When the substrate material and the low-refracting material of the nonlinear layer are identical, a decrease in the value of mechanical stresses and an increase in the adhesion coefficients at the interface between the nonlinear substrate layer are achieved.

Использование в качестве нелинейного двухкомпонентного слоя, состоящего из низкопреломляющего (матричного) материала, не изменяющего оптических свойств переключателя, и вкрапленных в него микрокристаллов высокопреломляющего (рабочего) материала размером d, определяемым из соотношения:
0,2•ao <d <3ao, нм,
делает предлагаемый переключатель устройством с фемтосекундным временем включения и регулируемым временем выключения. Устойчивость предлагаемого переключателя к высоким пиковым интенсивностям лазерного излучения, воздействию температуры и влаги обеспечивается за счет исключения процессов перекристаллизации и химической деградации микрокристаллов (при использовании в качестве матричного материала соединений, характеризуемых высокой твердостью, негигроскопичностью, возможностью достижения в пленочном покрытии плотности упаковки не менее 0,9 1), а также стехиометричностью состава, химической нейтральностью, заданными коэффициентами теплопроводности, величинами и знаком коэффициентов механических напряжений и линейного расширения высокопреломляющей и низкопреломляющей компонент нелинейного слоя. В качестве герметизирующих низкопреломляющих материалов используют, в частности, SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, AlN, BN и полимеры.The use as a nonlinear two-component layer consisting of a low refractive (matrix) material that does not change the optical properties of the switch and microcrystals embedded in it of a high refractive (working) material of size d, determined from the ratio:
0.2 • a o <d <3a o , nm,
makes the proposed switch a device with a femtosecond turn-on time and an adjustable turn-off time. The stability of the proposed switch to high peak intensities of laser radiation, the effects of temperature and moisture is ensured by eliminating the processes of recrystallization and chemical degradation of microcrystals (when using compounds characterized by high hardness, non-hygroscopicity, the ability to achieve a packing density of at least 0 in the film coating, 9 1), as well as stoichiometric composition, chemical neutrality, given thermal conductivity the magnitude and sign of the coefficients of mechanical stresses and linear expansion of the high refractive and low refractive components of the nonlinear layer. As sealing low-refractory materials, in particular, SiO 2 , Al 2 O 3 , CaF 2 , BaF 2 , AlN, BN and polymers are used.

Размер микрокристаллов нелинейного I-слоя должен находится в пределах
0,2 • A0 < d ≅3a0, нм
по следующим соображениям:
для микрокристаллов размера d > 3a0 существенную роль в формировании нелинейных свойств играют размерные эффекты, приводящие, в частности, к длинноволновому сдвигу края поглощения и реализации нелинейного переключения в состояние затемнения с пикосекундными временами релаксации (О.В. Гончарова, Г.В. Синицын, Весцi АН БССР, 1990. N 6, с. 21-28);
для микрокристаллов меньшего размера, а именно, d ≅3a0 характерны как квантово-размерные эффекты, проявляющиеся в коротковолновом сдвиге края поглощения и в реализации переключения в состояние просветления с пикосекундными временами релаксации, так и размерные эффекты, наступающие при более высоких уровнях возбуждения I и проявляющиеся в реализации нелинейного переключения в состояние затемнения с пикосекундными временами релаксации. Динамические эффекты просветления и/или сдвига края поглощения (при наличии возможности их выключения эффектом затемнения) в сочетании с низкими потерями на поглощение и пикосекундными временами релаксации создают основу для пикосекундного быстродействия предлагаемых оптических переключающих элементов, работающих при комнатной температуре.The microcrystal size of the nonlinear I layer should be within
0.2 • A 0 <d ≅3a 0 , nm
for the following reasons:
For microcrystals of size d> 3a 0 , size effects play an important role in the formation of nonlinear properties, leading, in particular, to a long-wavelength shift of the absorption edge and the realization of a nonlinear switching to the darkening state with picosecond relaxation times (O.V. Goncharova, G.V. Sinitsyn , Vestsi AN BSSR, 1990. N 6, p. 21-28);
smaller microcrystals, namely, d ≅ 3a 0, are characterized by both quantum-size effects, which are manifested in a short-wavelength shift of the absorption edge and in the transition to the state of bleaching with picosecond relaxation times, and size effects occurring at higher excitation levels I and manifesting themselves in the realization of a nonlinear switching to a dark state with picosecond relaxation times. The dynamic effects of bleaching and / or shift of the absorption edge (if it is possible to turn them off by the darkening effect) in combination with low absorption losses and picosecond relaxation times provide the basis for the picosecond response time of the proposed optical switching elements operating at room temperature.

При d <0,2•а0 размеры частиц высокопреломляющего материала нелинейного слоя настолько малы (меньше единиц нанометров, т.е. порядка нескольких элементарных ячеек исходного материала), что его микроструктура трудно контролируема и не воспроизводима.For d <0.2 • a 0, the particle sizes of the highly refractive material of the nonlinear layer are so small (less than a few nanometers, that is, of the order of several unit cells of the starting material) that its microstructure is difficult to control and not reproducible.

Наличие в предлагаемом переключающем элементе нелинейного слоя, выполненного из тонкого слоя материала с низким показателем преломления nн и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления nв и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2 • a0 <d <3a0, нм,
где a0 боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала,
позволяет изготовить оптический ключ пикосекундного быстродействия. При этом упрощается решение проблем, связанных с диссипацией тепла в переключающем элементе: при использовании быстрых электронных нелинейностей микрокристаллов высокопреломляющего материала в качестве низкопреломляющего материала нелинейного слоя могут служить соединения с наиболее высокими коэффициентами теплопроводности (ранее эти проблемы решались за счет использования в конструкции ТПИ-переключателей дополнительных термоизолирующих и поглощающих (металлических) слоев, а также благодаря выбору материала подложки переключателей). Температуропроводность подложки следует выбирать максимальной для снятия тепловой нагрузки на переключающем элементе и удержания его рабочей температуры в допустимых рамках. Для известных переключающих элементов, формируемых обычными способами вакуумного напыления и эпитаксии, этот выбор, как правило, ограничен требованиями соответствия коэффициентов линейного расширения, параметров кристаллической решетки и коэффициентов адгезии испаряемых материалов и подложки для получения механически стабильных пленочных покрытий высокого оптического качества.The presence in the proposed switching element of a non-linear layer made of a thin layer of material with a low refractive index n n and microcrystals embedded in it, formed from a material with a high refractive index n in and having a size d, determined from the ratio:
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm,
where a 0 is the Bohr radius of the exciton of the initial highly refractive material,
allows you to make an optical key picosecond speed. This simplifies the solution of problems associated with heat dissipation in the switching element: when using fast electronic nonlinearities of microcrystals of a high-refractive material, compounds with the highest thermal conductivity can serve as a low-refractive material of a non-linear layer (previously these problems were solved by using additional TPI switches in the design thermally insulating and absorbing (metal) layers, as well as due to the choice of the substrate material of the switch spruce). The thermal diffusivity of the substrate should be selected maximum for removing the thermal load on the switching element and keeping its operating temperature within acceptable limits. For well-known switching elements formed by conventional methods of vacuum deposition and epitaxy, this choice is usually limited by the requirements of the matching of linear expansion coefficients, crystal lattice parameters and adhesion coefficients of evaporated materials and substrate to obtain mechanically stable film coatings of high optical quality.

В предлагаемом варианте выбор материала и размера микрокристаллов нелинейного слоя определяет рабочий диапазон длин волн и эксплуатационные параметры ключа, а выбор низкопреломляющего материала матрицы "гарантирует" консервацию микрокристаллов по отношению к внешним воздействиям и исключение возможности перекристаллизации и возникновения механических напряжений, обеспечивая тем самым высокую лучевую стойкость переключателя. In the proposed embodiment, the choice of material and size of microcrystals of a nonlinear layer determines the operating wavelength range and operational parameters of the key, and the choice of low-refractive matrix material "guarantees" the preservation of microcrystals with respect to external influences and eliminates the possibility of recrystallization and the occurrence of mechanical stresses, thereby ensuring high radiation resistance switch.

Формирование нелинейного слоя переключателя из микрокристаллов высокопреломляющего материала размером d, определяемым из соотношения
0,2 • a0 < d < 3a0, нм,
где a0 боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала,
и низкопреломляющей матрицы, производилось двумя способами:
последовательным набором толщины нелинейного слоя дискретными чередующимися микрослоями низкопреломляющего материала произвольной структуры и высокопреломляющего материала кристаллической структуры с размером микрокристаллов d, определяемым из соотношения:
0,2 • a0 < d < 3a0, нм
( положительное решение по заявке на изобретение N 93057150 от 23.12.93 г.);
испарением многокомпонентных мишеней заданного фазового состава высокопреломляющего и низкопреломляющего материалов.The formation of a nonlinear layer of the switch from microcrystals of highly refractive material of size d, determined from the ratio
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm,
where a 0 is the Bohr radius of the exciton of the initial highly refractive material,
and low-refraction matrix, was produced in two ways:
a sequential collection of the thickness of the nonlinear layer by discrete alternating microlayers of low-refractive material of an arbitrary structure and high-refractive material of a crystalline structure with a microcrystal size d, determined from the ratio:
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm
(positive decision on the application for invention N 93057150 dated 12/23/93);
the evaporation of multicomponent targets of a given phase composition of highly refractive and low refractive materials.

Первый способ физического выращивания нелинейного слоя переключателя из высокопреломляющих микрокристаллов с размером d и низкопреломляющей матрицы технологически сложен и обеспечивает реализацию квазинульмерных гетеросистем типа микрокристаллический высокопреломляющий слой/низкопреломляющий слой, которые по своим структурным свойствам лишь относительно напоминают композицию "микрокристаллы в объеме матрицы". В качестве источника материалов при этом используются специально нелегированные пластины высокопреломляющего и низкопреломляющего материала. The first method for the physical growth of a nonlinear switch layer from high-refractive microcrystals with size d and a low-refraction matrix is technologically complicated and provides the implementation of quasi-zero-dimensional heterosystems of the type microcrystalline high refraction layer / low refraction layer, which in their structural properties only relatively resemble the composition “microcrystals in the matrix volume”. In this case, specially unalloyed plates of high-refractive and low-refracting material are used as a source of materials.

Второй способ технологически проще, но предполагает наличие специально приготовленных многокомпонентных мишеней с фазовым составом, скорректированным в соответствии с условиями осаждения и требуемыми параметрами нелинейного слоя. The second method is technologically simpler, but assumes the presence of specially prepared multicomponent targets with a phase composition, adjusted in accordance with the deposition conditions and the required parameters of the nonlinear layer.

Режимы физического наращивания нелинейного слоя переключателя выбирались эмпирически (путем параллельного анализа характера и величины сдвига спектров пропускания экспериментальных образцов по отношению к спектрам пленочных эталонов, обладающих свойствами монокристаллов, и соответствующего размера d, непосредственно оцениваемого методами электронной микроскопии и дифрактометрии "на просвет"). The modes of physical buildup of the nonlinear layer of the switch were chosen empirically (by parallel analysis of the nature and magnitude of the shift in the transmission spectra of the experimental samples with respect to the spectra of film standards with the properties of single crystals and of the corresponding size d, directly estimated by the methods of electron microscopy and diffractionometry "on the gap").

Первоначально физическое наращивание I-слоя предлагаемого переключателя производят в режимах формирования стехиометрического состава пленочных покрытий высокопреломляющего материалов. В дальнейшем выбирают такие технологические параметры, при которых достигается заданный размер микрокристаллов нелинейного слоя d и заданная микроструктура матричной (низкопреломляющей) компоненты. При непрерывном способе осаждения размер микрокристаллов задается только технологическими параметрами (например, температурой и скоростью испарения, температурой подложки), а при дискретном - искусственно ограничивается толщиной однократно напыляемого микрослоя ( авт. св. СССР N 1658655). Initially, the physical buildup of the I-layer of the proposed switch is carried out in the modes of formation of the stoichiometric composition of the film coatings of highly refractive materials. In the future, technological parameters are selected at which a given microcrystal size of the nonlinear layer d and a given microstructure of the matrix (low refractive) component are achieved. With a continuous deposition method, the size of microcrystals is set only by technological parameters (for example, temperature and evaporation rate, substrate temperature), and with a discrete method, it is artificially limited by the thickness of a once sprayed microlayer (ed. St. USSR N 1658655).

Исходные материалы нелинейного слоя выбираются так, чтобы матричный материал практически не влиял на спектральные и нелинейные свойства переключателя, т.е. был более широкозонен, чем высокопреломляющий материал микрокристаллов нелинейного слоя. The starting materials of the nonlinear layer are selected so that the matrix material practically does not affect the spectral and nonlinear properties of the switch, i.e. was wider than the highly refractive material of microcrystals of a nonlinear layer.

В качестве мишеней применялись специально нелегированные монокристаллы исходных материалов и специально приготовленные многокомпонентные мишени (ММ) заданного фазового состава. Specially unalloyed single crystals of starting materials and specially prepared multicomponent targets (MM) of a given phase composition were used as targets.

На фиг. 4 изображен схематически общий вид оптического переключающего устройства, соответствующего данному изобретению. In FIG. 4 is a schematic general view of an optical switching device according to the invention.

Лучший вариант осуществления изобретения. The best embodiment of the invention.

Предлагаемый переключающий элемент содержит подложку 1 и нелинейный слой 2. The proposed switching element contains a substrate 1 and a nonlinear layer 2.

Заявляемый переключатель содержит подложку 1 из низкопреломляющего материала или из высокопреломляющего материала (в том числе металла) с диэлектрическим покрытием на основе твердых, герметизирующих материалов с высокими коэффициентами теплопроводности: AlN, BN, SiC, Al2O3, SiO2, CaF2, BaF2, полимеры. На диэлектрическую подложку (или слой) далее методами физического наращивания наносится нелинейный слой 2, задающий спектральные и нелинейные характеристики переключающего устройства. Структура нелинейного слоя состоит из микрокристаллов высокопреломляющего материала размером d, определяемым из соотношения:
0,2•a0 < d < 3a0, нм,
вкрапленных в слой низкопреломляющего (матричного) материала. Высокопреломляющим материалом нелинейного слоя могут служить различные соединения в зависимости от целей практического использования переключателя. В случае тонкопленочных переключателей это полупроводниковые и диэлектрические соединения. В случае логических устройств нелинейные высокопреломляющие материалы (от металлов, диэлектриков и полупроводников до органических красителей и полимеров). В качестве низкопреломляющей матрицы должен использоваться герметизирующий материал, в частности соединения из ряда: SiO2, Al2O3, CaF2, AlN, BN, а также полимеры. Поверх нелинейного слоя может быть нанесено дополнительное герметизирующее покрытие.The inventive switch contains a substrate 1 of low-refractive material or of high-refractory material (including metal) with a dielectric coating based on solid, sealing materials with high thermal conductivity: AlN, BN, SiC, Al 2 O 3 , SiO 2 , CaF 2 , BaF 2 , polymers. Next, a nonlinear layer 2 is applied to the dielectric substrate (or layer) by physical buildup methods, specifying the spectral and nonlinear characteristics of the switching device. The structure of the nonlinear layer consists of microcrystals of highly refractive material of size d, determined from the ratio:
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm,
interspersed in a layer of low refractive (matrix) material. The high-refractory material of the nonlinear layer can be various compounds, depending on the purpose of the practical use of the switch. In the case of thin-film switches, these are semiconductor and dielectric compounds. In the case of logic devices, non-linear highly refractive materials (from metals, dielectrics and semiconductors to organic dyes and polymers). As a low-refracting matrix, a sealing material should be used, in particular compounds from the series: SiO 2 , Al 2 O 3 , CaF 2 , AlN, BN, as well as polymers. An additional sealing coating may be applied over the non-linear layer.

Предлагаемый беззеркальный тонкопленочный элемент с ростом интенсивности I падающего излучения первоначально переключается в состояние максимального пропускания (включения) (фиг. 5, 6), а затем (когда число фотоиндуцированных носителей в изолированном объеме микрокристаллов высокопреломляющего материала превысит критическое) в состояние затемнения (выключение). Характерное время срабатывания предлагаемого переключателя, определяемое временем релаксации носителей, при использованных значениях размера микрокристаллов (d приблизительно равно 6.3 нм) составляет τ ≈ 100...5 пс.
Физический механизм ключевой характеристики предлагаемого переключающего устройства интерпретируется следующим образом. При фотогенерации носителей в микрокристалле высокопреломляющегося материала размером d, определяемым из соотношения:
0,2•а0<d<3a0, нм,
и последующем запоминании уровней размерного квантования вероятность поглощения света в прикраевой области спектра уменьшается, с чем связаны наблюдаемые при низких уровнях возбуждения эффекты просветления и динамического сдвига края поглощения (фиг. 4,б, кривая 2). Однако по мере роста интенсивности возбуждающего света до 0,1 ГВт/см2 и выше увеличивается общее число носителей, замкнутых в объеме отдельного микрокристалла. Как только количество генерируемых носителей становится существенно большим по сравнению с числом вакансий на уровнях подзонного квантования начинает проявляться затемнение, которое может быть обусловлено как наведенным поглощением на свободных носителях, так и на носителях, связанных на поверхностных ловушках, что приводит к подавлению эффекта просветления и динамического коротковолнового сдвига (фиг,4,б, кривая 3).The proposed mirrorless thin-film element with an increase in the intensity I of the incident radiation initially switches to the state of maximum transmission (inclusion) (Figs. 5, 6), and then (when the number of photoinduced carriers in the isolated volume of microcrystals of the high refractive material exceeds the critical one) to the state of dimming (switching off). The characteristic response time of the proposed switch, determined by the carrier relaxation time, at the used microcrystal size values (d is approximately 6.3 nm) is τ ≈ 100 ... 5 ps.
The physical mechanism of the key characteristics of the proposed switching device is interpreted as follows. When carriers are photogenerated in a microcrystal of a highly refractory material of size d, determined from the ratio:
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm,
and subsequent storing of levels of dimensional quantization, the probability of light absorption in the near-edge region of the spectrum decreases, which is associated with the effects of antireflection and dynamic shift of the absorption edge observed at low levels of excitation (Fig. 4b, curve 2). However, as the intensity of the exciting light increases to 0.1 GW / cm 2 and above, the total number of carriers enclosed in the volume of an individual microcrystal increases. As soon as the number of generated carriers becomes significantly larger compared to the number of vacancies, subband quantization levels begin to darken, which can be caused by both induced absorption on free carriers and carriers bound on surface traps, which suppresses the bleaching effect and dynamic short-wave shift (FIG. 4, b, curve 3).

Экспериментальная проверка возможности реализации предлагаемых безрезонаторных оптических ключей была выполнена на примере устройств, сформированных согласно изобретению на подложках из низкопреломляющего материала, соответствующего материалу низкопреломляющей компоненты нелинейного слоя. В качестве переключаемого сигнала использовалось возбуждение (Δt=3 пс) лазера на стекле с неодимом. An experimental verification of the feasibility of the proposed resonatorless optical keys was carried out on the example of devices formed according to the invention on substrates of low refractive material corresponding to the material of low refractive component of a nonlinear layer. The excitation (Δt = 3 ps) of a neodymium glass laser was used as a switched signal.

На фиг. 6-9 приведены соответственно микроструктурные, нелинейные и временные характеристики переключателей, в которых нелинейный слой согласно изобретению формируют методом физического наращивания микрослоев CdSe/CaF2 (на неориентирующей подложке CaF2) (фиг. 6, 8) и CdSe+SiO2 (на SiO2-подложке) (фиг. 7,9) с размером микрокристаллов высокопреломляющего CdSe-материала d, определяемым из соотношения
0,2•а0<d<3a0, нм,
где а0 боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала.In FIG. Figures 6-9 show microstructural, nonlinear and temporal characteristics of switches, in which the nonlinear layer according to the invention is formed by the method of physical buildup of CdSe / CaF 2 microlayers (on a non-orienting CaF 2 substrate) (Fig. 6, 8) and CdSe + SiO 2 (on SiO 2 substrate) (Fig. 7.9) with the microcrystal size of the highly refractive CdSe material d, determined from the ratio
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm,
where a 0 is the Bohr radius of the exciton of the initial highly refractive material.

Видно, что физическое наращивание нелинейного слоя в виде слоя материала с низким показателем преломления nн и вкрапленных в него микрокристаллов, сформированных из материала с высоким показателем преломления nв и имеющих размер d, определяемый из соотношения:
0,2•а0<d<3a0, нм,
где
а0 боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала,
повышает прозрачность переключателя на заданной длине волны (статический коротковолновый сдвиг) и существенно расширяет область его оптической нелинейности (динамический сдвиг и просветление) с пикосекундными временами релаксации.It is seen that the physical growth of the nonlinear layer in the form of a layer of material with a low refractive index n n and microcrystals embedded in it, formed from a material with a high refractive index n in and having a size d, determined from the ratio:
0.2 • a 0 <d <3a 0 , nm,
Where
and 0 the Bohr radius of the exciton of the original highly refractive material,
increases the transparency of the switch at a given wavelength (static short-wavelength shift) and significantly expands the range of its optical nonlinearity (dynamic shift and bleaching) with picosecond relaxation times.

Действительно, фиг. 6,а и кривая 2 на фиг.6, б соответствуют нелинейному слою CdSe/CaF2. Коротковолновый сдвиг спектра пропускания нелинейного слоя согласуется с его микроструктурой, представляющей собой микрокристаллы CdSe с d примерно равным 5,4 нм (для CdSe ao примерно составляет 5,3 нм), разделенные микрокристаллическими микрослоями CaF2.Indeed, FIG. 6a and curve 2 in FIG. 6b correspond to a nonlinear CdSe / CaF 2 layer. The short-wavelength shift of the transmission spectrum of the nonlinear layer is consistent with its microstructure, which is CdSe microcrystals with d approximately equal to 5.4 nm (for CdSe a o approximately 5.3 nm), separated by microcrystalline CaF 2 microlayers.

Видно (фиг. 6, в, г), что нелинейный слой предлагаемого переключателя обладает пикосекундной нелинейностью, приводящей к наведенному просветлению спектра поглощения. It is seen (Fig. 6, c, d) that the non-linear layer of the proposed switch has a picosecond non-linearity, which leads to induced clarification of the absorption spectrum.

Аналогично фиг. 7,а и кривая 2 на фиг. 7,б соответствуют микроструктуре и спектральным характеристикам нелинейного слоя CdSe+SiO2 (отметим, что и для этого устройства наряду с коротковолновым сдвигом зарегистрирована также дискретная структура спектра поглощения, коррелирующие с размером микрокристаллов d примерно равным 5-6 нм). Видно (фиг. 7, в, г), что и в данном случае могут быть получены динамический сдвиг и просветление спектра пропускания с пикосекундными временами релаксации.Similarly to FIG. 7a and curve 2 in FIG. 7b correspond to the microstructure and spectral characteristics of the nonlinear CdSe + SiO 2 layer (note that for this device, in addition to the short-wavelength shift, a discrete absorption spectrum structure was also correlated with microcrystal size d of approximately equal to 5-6 nm). It is seen (Fig. 7, c, d) that, in this case, a dynamic shift and clarification of the transmission spectrum with picosecond relaxation times can also be obtained.

Кривые 1 на фиг. 6, б, 7,б соответствуют поликристаллическим пленкам CdSe, сформированным обычными способами физического наращивания пленочных покрытий. Curves 1 in FIG. 6b, 7b, correspond to polycrystalline CdSe films formed by conventional methods of physically growing film coatings.

Приведенные на фиг. 6,7 результаты указывают на возможность расширения рабочего диапазона длин волн и пикосекундного пропускания (открытое состояние). Контраст ключа может быть достаточно высоким, поскольку (за счет выбора величины отстройки) скачкообразный переход элемента в состояние просветления (Т=Тmax) может происходить из состояния полного затемнения (Т=0).Referring to FIG. 6,7 results indicate the possibility of expanding the operating range of wavelengths and picosecond transmission (open state). The key contrast can be quite high, because (due to the choice of the detuning value), the jumplike transition of the element to the state of enlightenment (T = T max ) can occur from the state of complete dimming (T = 0).

Долговременная компонента просветления на фиг. 6,г и 7,г соответствует наносекундной рекомбинации носителей. В случае практических применений эта компонента может затягивать время восстановления прозрачности оптического ключа после переключения. Однако затемнение, обусловленное наведенным поглощением в зоне локализации, позволяет обойти эту проблему. Выбрав соответствующую лазерную длину волны λвозб можно компенсировать долговременную компоненту просветления таким же по величине наведенным поглощением (см. фиг. 8,9).The long-term enlightenment component of FIG. 6d and 7d corresponds to nanosecond carrier recombination. In the case of practical applications, this component may delay the recovery time of the optical key transparency after switching. However, the dimming caused by the induced absorption in the localization zone circumvents this problem. Choosing the appropriate laser wavelength λex can compensate for the long-term component of the bleaching of the same magnitude induced absorption (see Fig. 8.9).

Отсюда следует возможность варьирования времени выключения предлагаемого переключающего устройства за счет увеличения интенсивности падающего излучения. This implies the possibility of varying the shutdown time of the proposed switching device by increasing the intensity of the incident radiation.

На фиг. 8 продемонстрирована зависимость кинетики релаксации предлагаемого оптического переключателя CdSe/CaF2 для различных уровней интенсивности накачки Io λвозб=528 нм).In FIG. Figure 8 shows the dependence of the relaxation kinetics of the proposed CdSe / CaF 2 optical switch for various levels of pump intensity I o λ exc = 528 nm).

Как видим, увеличение интенсивности накачки, сопровождаемое ростом числа генерируемых носителей, фактически не изменяет величины просветления, но приводит к появлению эффекта затемнения в длинноволновой области края поглощения. Такой знакопеременный характер нелинейности может быть интерпретирован следующим образом. Основной чертой тонкопленочных двухкомпонентных сред, сформированных согласно изобретению, является высокая концентрация микрокристаллов высокопреломляющего материала и как результат - общая большая площадь приповерхностного слоя. Поэтому динамика фотовозбужденных носителей в таких системах, по-видимому, отлична от предложенной теорией квантово-размерных эффектов. Энергия электронного состояния в приповерхностном слое микрокристаллов ниже энергии электронного состояния в объеме микрокристалла. В связи с этим лишь дырки ограничиваются в объеме, а электроны быстро захватываются в приповерхностном слое. As you can see, an increase in the pump intensity, accompanied by an increase in the number of generated carriers, does not actually change the value of bleaching, but leads to the appearance of a darkening effect in the long-wavelength region of the absorption edge. Such an alternating character of nonlinearity can be interpreted as follows. The main feature of the thin-film bicomponent media formed according to the invention is the high concentration of microcrystals of the high refractive material and, as a result, the total large surface area of the near-surface layer. Therefore, the dynamics of photoexcited carriers in such systems, apparently, differs from the theory of quantum-size effects proposed. The energy of the electronic state in the surface layer of microcrystals is lower than the energy of the electronic state in the volume of the microcrystal. In this regard, only holes are limited in volume, and electrons are quickly trapped in the surface layer.

Процесс захвата электронов на поверхностные состояния меняет сценарий нелинейно-оптических процессов в средах с высокой концентрацией внутренних поверхностей. До локализации в приповерхностном слое ситуация для электронов в микрокристалле аналогична ситуации для них в квантовом ящике с высокими стенками сверхбыстрое просветление достигается в результате заполнения дискретных уровней размерно-квантованной электронно-дырочной системы. После локализации электронов дырки ограничены в объеме микрокристалла и вносят вклад в просветление через заполнение уровней валентной зоны. В результате этого пропускание частично восстанавливается и сохраняется после процесса локализации электронов. The process of electron capture on surface states changes the scenario of nonlinear optical processes in media with a high concentration of internal surfaces. Before localization in the near-surface layer, the situation for electrons in a microcrystal is similar to the situation for them in a quantum box with high walls, ultrafast bleaching is achieved by filling in the discrete levels of a size-quantized electron-hole system. After localization of the electrons, the holes are limited in the volume of the microcrystal and contribute to the bleaching through filling the levels of the valence band. As a result of this, transmission is partially restored and maintained after the process of electron localization.

Таким образом, характер изменения пропускания в предлагаемых оптических переключателях с ростом мощности падающего излучения может быть объяснен конкуренцией двух механизмов нелинейности. Первым из них является заполнение уровней размерного квантования, сопровождаемое эффектами просветления и коротковолнового сдвига спектра пропускания, а вторым генерация плотной электронно-дырочной плазмы, сопровождаемая наведенным поглощением. Механизмы нелинейности характеризуются субпикосекундными временами наведения и пикосекундными временами релаксации. При этом, как видно из фиг. 8, беззеркальные гетерослои ( l примерно составляет 0,3-0,6 нм) могут применяться как оптические ключи с высокой модуляцией амплитуды светового сигнала и собственным механизмом выключения нелинейности. Thus, the nature of the change in transmission in the proposed optical switches with increasing incident radiation power can be explained by the competition of two nonlinearity mechanisms. The first of them is the filling of dimensional quantization levels, accompanied by the effects of bleaching and a short-wavelength shift of the transmission spectrum, and the second is the generation of a dense electron-hole plasma, accompanied by induced absorption. Nonlinearity mechanisms are characterized by subpicosecond guidance times and picosecond relaxation times. Moreover, as can be seen from FIG. 8, mirrorless heterolayers (l is approximately 0.3-0.6 nm) can be used as optical keys with high modulation of the amplitude of the light signal and its own non-linearity switching mechanism.

Принципиальная возможность пикосекундного выключения безрезонаторного оптического ключа CdSe+SiO2 показана на фиг. 9.The principal possibility of picosecond switching off of a resonatorless CdSe + SiO 2 optical key is shown in FIG. 9.

Таким образом, переключающее устройство, состоящее из подложки и сформированного на ней двухкомпонентного нелинейного слоя, заявляемое в данном изобретении, является и быстродействующим, и относительно низкоэнергетичным. При толщине l примерно равной 1 мкм и диаметре рабочей области примерно 10 мкм время включения ≅ 300 фс, время выключения от 25 до 5 пс, энергия на одно переключение E примерно 100 пДж, работа при комнатной температуре в широком диапазоне длин волн. Thus, a switching device consisting of a substrate and a two-component nonlinear layer formed on it, as claimed in this invention, is both fast-acting and relatively low-energy. With a thickness l of approximately 1 μm and a diameter of the working region of approximately 10 μm, the on-time is время 300 fs, the off-time is from 25 to 5 ps, the energy per switch E is approximately 100 pJ, and operation at room temperature in a wide wavelength range.

Исследование стойкости предлагаемых переключателей к лазерному воздействию, проведенное с использованием CdSe+SiO2 элемента и 3-х пикосекундного импульсного возбуждения с частотой следования 0,5 Гц при возбуждении в области сильного поглощения CdSe ( λвозб 528 нм, λq 680 нм) не выявило необратимых изменений спектра пропускания переключателя вплоть до пиковых мощностей возбуждения 0,6-0,8 ГВт/см2. Оптические характеристики предлагаемых переключателей (при сохранении их без защиты от влаги) остались неизменными после пребывания вне эксикатора в течение более трех лет.A study of the laser resistance of the proposed switches using a CdSe + SiO 2 element and 3 picosecond pulsed excitation with a repetition rate of 0.5 Hz when excited in the region of strong CdSe absorption (λ exc 528 nm, λ q 680 nm) did not reveal irreversible changes in the transmission spectrum of the switch up to peak excitation powers of 0.6-0.8 GW / cm 2 . The optical characteristics of the proposed switches (while maintaining them without moisture protection) remained unchanged after being outside the desiccator for more than three years.

Предлагаемое устройство предназначено для логической обработки оптических сигналов в УФ-, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Область применения экспериментальная оптика, в том числе аналоговая и цифровая оптическая логика. Высокая однородность оптических параметров по поверхности подложки позволяет получать ключевые устройства как в виде дискретных элементов, так и в виде многоэлементных линеек и матриц. Устройство может различаться по функциональному назначению и быстродействию. The proposed device is intended for the logical processing of optical signals in the UV, visible and near infrared wavelengths. Field of application: experimental optics, including analog and digital optical logic. The high uniformity of the optical parameters along the surface of the substrate allows one to obtain key devices both in the form of discrete elements and in the form of multi-element rulers and matrices. The device may vary in functionality and speed.

Предлагаемое устройство работает как нелинейный переключающий элемент с пикосекундными временами переключения и собственным механизмом выключения (см. фиг. 5). The proposed device operates as a nonlinear switching element with picosecond switching times and its own shutdown mechanism (see Fig. 5).

Предлагаемое устройство обладает рядом свойств, уникальных с точки зрения создания на его основе интегральных схем разного функционального назначения:
относительной простотой и доступностью технологии изготовления;
выбором материалов от металлов, полупроводников и диэлектриков до органических красителей и полимерных соединений;
интегральностью и интегрируемостью исполнения;
широким диапазоном рабочих длин волн;
работой при комнатных температурах;
использованием пикосекундных механизмов наведения и выключения нелинейности;
низкими порогами оптического переключения;
возможностью исключения теплового вклада подложки в работу таких устройств;
высокой лучевой стойкостью и стабильностью структуры.The proposed device has a number of properties that are unique from the point of view of creating integrated circuits for various functional purposes on its basis:
relative simplicity and accessibility of manufacturing technology;
the choice of materials from metals, semiconductors and dielectrics to organic dyes and polymer compounds;
the integrity and integrability of performance;
a wide range of working wavelengths;
work at room temperatures;
using picosecond nonlinearity guidance and shutdown mechanisms;
low thresholds of optical switching;
the possibility of eliminating the thermal contribution of the substrate to the operation of such devices;
high radiation resistance and structural stability.

Ниже приведены характеристики предлагаемых пикосекундных переключателей
Рабочий спектральный диапазон УФ-, видимая, ИК-области спектра
Рабочие температуры Комнатные
Диаметр светового пятна Примерно 5 мкм
Энергия переключения ≅100 пДж/мкм2
Время переключения (вкл/выкл) Примерно 0,3/10 пс
Контраст 2.3
Размер двумерных матриц элементов 3х3 см2
Возможность использования твердых соединений с высокими коэффициентами теплопроводности в качестве материала подложки и матрицы создает дополнительные преимущества для повышения механической прочности, влагопрочности переключающего устройства, устойчивости его к термоударам и многократному лазерному воздействию, а также для уменьшения тепловой составляющей при высокой тактовой частоте работы устройства.Below are the characteristics of the proposed picosecond switches.
Operating Spectral Range UV, Visible, IR
Operating temperatures
Spot diameter approx. 5 μm
Switching energy ≅100 pJ / μm 2
Switching time (on / off) Approximately 0.3 / 10 ps
Contrast 2.3
The size of two-dimensional matrixes of elements 3x3 cm 2
The possibility of using solid compounds with high coefficients of thermal conductivity as the substrate material and the matrix creates additional advantages for increasing the mechanical strength, moisture resistance of the switching device, its resistance to thermal shock and repeated laser exposure, as well as for reducing the thermal component at a high clock frequency of the device.

Claims (4)

1. Оптический переключающий элемент, содержащий подложку, на которой размещен слой, отличающийся тем, что слой выполнен из материала с показателем преломления nн, в котором расположены микрокристаллы, сформированные из материала с показателем преломления nв, где nв > nн, и имеющие размер d, определяемый из соотношения
0,2 aБ < d < λc нм,
где aБ и λc соответственно боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона в материале с показателем преломления nв.1. An optical switching element comprising a substrate on which a layer is placed, characterized in that the layer is made of a material with a refractive index n n , in which microcrystals are formed from a material with a refractive index n in , where n in > n n , and having a size d determined from the relation
0.2 a B <d <λ c nm,
where a B and λ c, respectively, the Bohr radius of the exciton and the mean free path of an electron in a material with a refractive index of n c . 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала подложки использованы диэлектрик или материал с показателем преломления nв, в том числе металл с диэлектрическим покрытием из ряда SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, AlN, BN, а также полимеры.2. The element according to claim 1, characterized in that the substrate material used is a dielectric or a material with a refractive index n in , including a metal with a dielectric coating of the series SiO 2 , Al 2 O 3 , CaF 2 , BaF 2 , AlN , BN, as well as polymers. 3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала с показателем преломления nн слоя использованы соединения из ряда SiO2, Al2O3, CaF2, BaF2, AlN, BN, а также полимеры.3. The element according to claim 1 or 2, characterized in that as a material with a refractive index of the n n layer, compounds from the series SiO 2 , Al 2 O 3 , CaF 2 , BaF 2 , AlN, BN, as well as polymers, are used. 4. Элемент по пп.1 3, отличающийся тем, что в качестве материала с показателем преломления nв слоя использованы полупроводниковые соединения, металлы и диэлектрики.4. An element according to claims 1 to 3, characterized in that semiconductor compounds, metals and dielectrics are used as a material with a refractive index n of the layer.
RU94032126A 1994-09-02 1994-09-02 Optical switching-over element RU2096815C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94032126A RU2096815C1 (en) 1994-09-02 1994-09-02 Optical switching-over element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94032126A RU2096815C1 (en) 1994-09-02 1994-09-02 Optical switching-over element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94032126A RU94032126A (en) 1996-07-20
RU2096815C1 true RU2096815C1 (en) 1997-11-20

Family

ID=20160185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94032126A RU2096815C1 (en) 1994-09-02 1994-09-02 Optical switching-over element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2096815C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456648C1 (en) * 2011-03-24 2012-07-20 Сергей Владимирович Костров Optical switching element based on multilayer dielectric selective mirror
RU179015U1 (en) * 2017-08-07 2018-04-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет", ФГБОУ ВО "АГТУ" PHOTON SWITCH CELL

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H.I. Eichler, A. Haase, K. Laniah et al Opt Commun, 1992, Vol. 88, N 1, p. 298 - 304. Эйбрэхэм К.Т., Ситон Д. Смит. - В мире науки. 1983, N 4, с. 15 - 25. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2456648C1 (en) * 2011-03-24 2012-07-20 Сергей Владимирович Костров Optical switching element based on multilayer dielectric selective mirror
RU179015U1 (en) * 2017-08-07 2018-04-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет", ФГБОУ ВО "АГТУ" PHOTON SWITCH CELL

Also Published As

Publication number Publication date
RU94032126A (en) 1996-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Olbright et al. Microsecond room‐temperature optical bistability and crosstalk studies in ZnS and ZnSe interference filters with visible light and milliwatt powers
US4819239A (en) Laser Q-switch
Wan et al. Ultrathin broadband reflective optical limiter
Zhang et al. Nonlinear optical absorption in undoped and cerium-doped BaTiO 3 thin films using Z-scan technique
JP7006989B2 (en) Optical frequency converter in the visible to ultraviolet frequency band
US4558923A (en) Picosecond bistable optical switch using two-photon transitions
RU2096815C1 (en) Optical switching-over element
JP7335473B2 (en) Manufacturing method of spatially modulated wave plate
Yüksek et al. Nonlinear absorption in undoped and Ge doped layered GaSe semiconductor crystals
Bader et al. Polymer-based waveguides and optical switching
RU2078358C1 (en) Narrow-band thin-film fabry-perot interferometer
Kulibekov et al. Optical absorption in GaSe under high-density ultrashort laser pulses
JP4373163B2 (en) Method for manufacturing optical structure
Ganeev Resonance-induced enhancement of the high-order harmonic generation in plasma
Miller et al. Wavelength Dependence of Optical Bistability in Molecular-Beam-Deposited ZnSe Interference Filters
Brzozowski et al. Intensity-dependent reflectance and transmittance of semiconductor periodic structures
Apanasevich et al. Response time of bistable devices based on evaporated thin-film interferometers
Goncharova et al. Optical nonlinearity of semiconductor microcrystallites formed in a thin-film insulator
Miller et al. Optical bistability in II–VI compounds
Janz et al. Modification of the second‐order optical susceptibility in Al x Ga1− x As by ion‐beam induced amorphization
Miller et al. Thermally induced optical bistability at room temperature in GaAs/AlGaAs multiple quantum wells
Feng et al. Thermo‐optical switching in Si based etalons
Lewis et al. Studies of the thermal stability of thin film structures
JP3961250B2 (en) Semiconductor optical nonlinear device
Miller et al. Semiconductor Bistable Etalons for Digital Optical Computing