RU2456648C1 - Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала - Google Patents
Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2456648C1 RU2456648C1 RU2011111260/28A RU2011111260A RU2456648C1 RU 2456648 C1 RU2456648 C1 RU 2456648C1 RU 2011111260/28 A RU2011111260/28 A RU 2011111260/28A RU 2011111260 A RU2011111260 A RU 2011111260A RU 2456648 C1 RU2456648 C1 RU 2456648C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- multilayer dielectric
- selective mirror
- switching
- dielectric selective
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано в малоинерционных оптических логических устройствах и пикосекундных переключателях, устройствах для обработки световых информационных потоков, обеспечивающих переключение, разветвление, разложение в спектр и фильтрацию оптических сигналов. Сущность изобретения: слои с большими оптическими толщинами, равными dn=x·λот/4 и одновременно dn=y·λпр/4, где λот - средняя длина волны полосы отражения оптического диэлектрического зеркала, λпр - средняя длина волны полосы пропускания оптического диэлектрического зеркала, х, у - целые числа, такие, что х=у±1, выполнены из сегнетоэлектрического материала или другого оптически активного материала, обеспечивающего изменение показателя преломления на основе электрооптических, акустооптических, термооптических, механооптических эффектов. Технический результат: осуществление оптической коммутации как минимум по одному выходу при скорости передачи сигналов порядка единиц пикасекунд, с сохранением точности и достоверности сигнала. 8 ил.
Description
Изобретение относится к интегральной оптике и может быть использовано для создания малоинерционных оптических логических устройств и пикосекундных переключателей, устройств для обработки световых информационных потоков, обеспечивающих переключение, разветвление, разложение в спектр и фильтрацию оптических сигналов.
Известен нелинейный перестраиваемый металлосегнетоэлектрический фотонный кристалл (пат. RU 2341817, МПК G02F 1/05, 10.05.2008) и способ его переключения. Фотонный кристалл содержит подложку, на поверхность которой нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, на котором закреплена дифракционная решетка из меди, при этом материал обеспечивает возможность излучения светового потока на частоте второй гармоники, а дифракционная решетка является одновременно системой электродов для подачи переключающего поля. Переключение фотонного кристалла заключается в изменении угла направления светового луча на частоте второй гармоники. Изменение угла выхода светового луча из фотонного кристалла осуществляют удвоением периода нелинейной дифракционной решетки за счет переключения поляризации в сегнетоэлектрической пленке при приложении напряжения к электродной структуре в виде входной дифракционной решетки. Изобретение реализует коммутацию за счет пространственного разделения оптических длин волн по углу выхода из перестраиваемого металлосегнетоэлектрического фотонного кристалла.
Недостатком устройства и способа коммутации является трудность пространственного сопряжения двух выходов из-за малого различия углов выхода из дифракционной решетки на близком расстоянии к дифракционной решетке; а также в большом затухании за счет расхождения светового луча при вводе в волновод на расстоянии от дифракционной решетки. Недостатком также является энергетическая неэффективность устройства, так как полезное излучение составляет один из боковых лепестков от центрального максимума.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптический переключающий элемент (пат. RU 2096815, МПК G02B 26/00, 20.11.1997). Оптический переключающий элемент содержит подложку и нелинейный элемент, расположенный на поверхности подложки. Нелинейный слой представляет собой тонкую пленку материала с низким показателем преломления nн и вкрапленные в нее микрокристаллы, сформированные из материала с высоким показателем преломления nв и имеющие размер d, определяемый из соотношения, 0,2·a0<d<3ao, нм, где a0 боровский радиус экситона исходного высокопреломляющего материала. Изобретение реализует широкополосную коммутацию за счет переключения режима максимального пропускания (включение) в режим затемнения (выключение).
Недостатком такого устройства является отсутствие прямого переключения между несколькими выходами из устройства, для коммутации между различными выходами требуется дополнительное устройство разветвления и размещения в каждом плече разветвления оптического переключателя.
Известен оптический многослойный фильтр - многослойное диэлектрическое селективное зеркало (пат. RU 2330313, МПК G02B 5/28, 27.07.2008), который состоит из N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления, а оптическая толщина каждого слоя составляет λ/4, где λ - средняя длина волны полосы отражения оптического фильтра. При этом оптический многослойный фильтр выполнен состоящим из входного оптического трансформатора, избирательной части и выходного оптического трансформатора. Данное устройство принято в качестве прототипа для заявленного устройства, так как имеет наиболее схожую структуру фильтрующего элемента.
Принципиальным ограничением функциональной возможности устройства является то, что изобретение обеспечивает только пассивную селекцию оптических сигналов по длинам волн.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей многослойных диэлектрических селективных зеркал, оптических многослойных фильтров и создание активного коммутационного элемента, обеспечивающего перестраиваемое селективное отражение длин волн за счет изменения показателя преломления на основе линейных или нелинейных оптических, акустооптических, термооптических, электрооптических, механооптических эффектов. Задача изобретения состоит также в повышении скорости передачи сигналов и их точности и достоверности при сохранении упрощенной схемы формирования условий для переключения во времени направленного светового потока.
Поставленная задача достигается тем, что в перестраиваемом многослойном диэлектрическом селективном зеркале, состоящем из входного и выходного оптического трансформатора, входного поляризатора, устройства передачи внешнего воздействия: электродов, пластин и/или мембран, расположенных по поверхности многослойного диэлектрического селективного зеркала, и избирательной части, содержащей N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с максимально отличающимися показателями преломления, допустимыми при заданной ширине полосы отражения, таких что оптическая толщина любого слоя - dn удовлетворяет одновременно: dn=x·λот/4 и dn=y·λпр/4, либо только dn=λот/4, где λот - средняя длина волны полосы отражения диэлектрического зеркала, λпр - средняя длина волны полосы пропускания диэлектрического зеркала, x, y - целые числа, такие что x=y±1, слои с большими оптическими толщинами выполнены из сегнетоэлектрического материала или другого оптически активного материала, обеспечивающего изменение показателя преломления на основе линейных или нелинейных оптических, акустооптических, термооптических, электрооптических, механооптических или иных эффектов.
В заявленном устройстве в отличие от прототипа реализуется коммутация и разделение оптических длин волн за счет изменения оптической протяженности структуры на пути проходящего излучения, а значит интерференционных соотношений, и смещения диапазона отражения/пропускания. Излучение детектируется прямо на выходе из многослойной структуры, без пространственного разделения оптических длин волн по углу выхода из перестраиваемого фотонного кристалла, без преобразования частоты коммутируемого излучения.
Заявленное изобретение отличает от пат. RU 2330313 соотношение толщин слоев и их порядок, а также то, что активная ячейка в заявленном устройстве - многослойное диэлектрическое селективное зеркало - является перестраиваемым.
Заявленное изобретение отличается от пат. RU 2096815 тем, что реализует коммутацию и разделение оптических длин волн в перестраиваемом фотонном кристалле за счет изменения оптической протяженности структуры на пути проходящего излучения, а значит интерференционных соотношений, и смещения диапазона отражения/пропускания.
Заявленное изобретение принципиально отличается от пат. RU 2341817 тем, что излучение детектируется прямо на выходе из многослойной структуры, без пространственного разделения оптических длин волн по углу выхода из перестраиваемого фотонного кристалла, без преобразования частоты коммутируемого излучения.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Согласно настоящему изобретению заявленные объекты характеризуются новыми особенностями, такими как:
- многослойное диэлектрическое селективное зеркало изготовляется непосредственно на сколе оптического волокна,
- функционирование коммутационного элемента осуществляется за счет изменения оптической протяженности фотонного кристалла,
- переключение осуществляется при помощи электрического поля;
- переключение осуществляется при помощи магнитного поля;
- переключение осуществляется при помощи теплового воздействия;
- переключение осуществляется при помощи акустического воздействия;
- обладает лучшей формой частотной хатактеристики за счет выбора оптимального соотношения параметров фотонного кристалла.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
Существо изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена схема устройства.
На ФИГ.1 показано схематическое изображение структуры перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала вида (HL)5H с оптическими толщинами слоев dL=λoт/4=321 нм, dН=7·λот/4=6·λпр/4=2307 нм, показателями преломления nL=1,48, nH=2,3, по оси абсцисс отложены геометрические толщины слоев;
на ФИГ.2 показана зависимость коэффициента отражения от длин волн фотонного кристалла по фиг.1;
на ФИГ.3 показана структура оптического переключателя, реализованного на электрооптическом эффекте, где 1 - металлическая пластина, 2 - многослойная структура, 3 - поляризатор;
на ФИГ.4 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при отсутствии электрического поля;
на ФИГ.5 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при наличии электрического поля, показана возможность управления во времени пространственно-частотным распределением светового потока;
на ФИГ.6 показаны зависимости коэффициента отражения фотонного кристалла при режимах работы с отсутствием(а)/присутствием(б) электрического поля от длины волны, где график a - зависимость коэффициента отражения от длины волны для активной ячейки до внешнего воздействия и б - после воздействия.
на ФИГ.7 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при отсутствии управляющего интенсивного излучения, где 4 - оптический циркулятор, 5 - перестраиваемое многослойное диэлектрическое селективное зеркало, 6 - многослойное диэлектрическое селективное зеркало;
на ФИГ. 8 показана схема работы фотонного кристалла по фиг.1 при наличии управляющего интенсивного излучения, показана возможность управления во времени пространственно-частотным распределением светового потока;
Устройство содержит оптически активную многослойную ячейку вида (HL)5H с оптическими толщинами слоев dL=λoт/4=321 нм, dН=7·λот/4=6·λпр/4=2307 нм показателями преломления nL=1,48, nH=2,3. Вид активной ячейки коммутационного элемента приводится на ФИГ.1. Наиболее протяженные компоненты перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала (H) выполнены из оптически активного материала и способны под действием управляющего напряжения Uупр изменять показатель преломления, а следовательно, оптическую толщину компонента, тем самым осуществлять частотный сдвиг коэффициента отражения. Смещение в частотной характеристике многослойного диэлектрического селективного зеркала в представленной активной ячейке коммутационного элемента интерпретируется как коммутация по длине волны. Схема включения активной ячейки коммутационного элемента и коммутация по длине волны до воздействия управляющим напряжением и после воздействия показаны на ФИГ.4 и ФИГ.5 соответственно. На ФИГ.6 график а) видно, что коэффициент отражения на длине волны 1310 нм равен 0,98, что соответствует затуханию пропускания 16,99 дБ. Из ФИГ.6 график б) видно, что коэффициент отражения на длине волны 1310 нм уже равен 0,02, что соответствует затуханию пропускания всего 0,088 дБ.
Активная ячейка ФИГ.1 поглощает оптическое излучение в очень малых количествах, так как имеет короткую физическую протяженность (7102 нм, поперечный размер одномодового волокна 10000 нм) и выполнена из диэлектрических, прозрачных материалов. Однако имеет место явление расхождения светового потока в теле оптически активной ячейки и поляризатора, что обуславливает основные энергетические потери в элементе. Существует проблема ввода светового потока в торцы сердцевины оптических волокон, с которыми смыкается оптически активная ячейка и поляризатор. Для успешного решения проблемы ввода оптической мощности в световедущую часть оптического волокна с минимальными потерями на этапе производства перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала используются способ искривления поверхности раздела слоев и способ реализации конструкции перестраиваемого многослойного диэлектрического селективного зеркала в теле волокна или выращивание слоев непосредственно на одном сколе волокна. Далее следует прецизионная стыковка с сердцевиной второго волокна. Размещение конструкции в иммерсионной жидкости с низким показателем преломления, которая будет выполнять функции, аналогичные функциям оболочки обычного оптического волокна. Далее следует герметизация, нанесение эпоксидного клея и усиление конструкции тремя стальными прутками.
В другом варианте исполнения устройства коммутация осуществляется на основе эффекта изменения показателя преломления оптически активной среды под действием интенсивного оптического излучения в перестраиваемом многослойном диэлектрическом селективном зеркале. Схема коммутации при перестройке многослойного диэлектрического селективного зеркала под действам управляющего излучения показана на ФИГ.7. Схема включения состоит из двух многослойных диэлектрических селективных зеркал (МДСЗ), одно из которых перестраиваемое (ПМДСЗ). Без внешнего воздействия ПМДСЗ отражает информативное оптическое излучение на частоте fИНФ, ФИГ.7. Под действием интенсивного излучения fУПР, ФИГ.8 ПМДСЗ перестраивается на пропускание информативного оптического излучения fИНФ. МДСЗ служит для отражения интенсивного излучения управления обратно в сторону активной ячейки ПМДСЗ и предотвращает прохождение интенсивного не информативного излучения на Выход 1. МДСЗ всегда прозрачно для информативного излучения. Видно, что по Выходу 1 в зависимости от управляющего излучения детектируется либо не детектируется информативный сигнал. Если не детектируется, то его можно обнаружить на Выходе 2 схемы ФИГ.7.
В конструктивных вариантах с целью расширения функциональных возможностей заявленное изобретение может быть выполнено в виде объемного оптоэлектронного модуля или объемного интегрального модуля, или монтажной платы, или печатной платы, или тканой платы, или коммутационной платы, или световодной ленты, или плоского световодного кабеля.
Данное изобретение может быть выполнено в виде отдельного устройства, в виде интегральных оптоэлектронных модулей в волоконно-оптических телекоммуникационных системах и системах связи, а также в оптических компьютерных системах и вычислительных устройствах промышленного применения.
Claims (1)
- Оптический коммутационный элемент, состоящий из входного и выходного оптического трансформатора и избирательной части на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала, содержащего N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с максимально отличающимися показателями преломления, допустимыми при заданной ширине полосы отражения, отличающийся тем, что на входе в коммутационный элемент реализовано устройство поляризации, при этом также реализовано устройство передачи внешнего воздействия: электроды, пластины и/или мембраны, расположенные по поверхности многослойного диэлектрического селективного зеркала, при этом также оптическая толщина любого слоя многослойного диэлектрического селективного зеркала - dn удовлетворяет одновременно:
dn=x•λот/4 и dn=y•λпр/4, либо только dn=λот/4,
где λот - средняя длина волны полосы отражения многослойного диэлектрического селективного зеркала;
λпр - средняя длина волны полосы пропускания многослойного диэлектрического селективного зеркала;
х, у - целые числа, такие, что х=у±1,
при этом также слои с большими оптическими толщинами выполнены из сегнетоэлектрического материала или другого оптически активного материала, обеспечивающего изменение показателя преломления на основе линейных или нелинейных оптических: акустооптических, термооптических, электрооптических, механооптических эффектов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011111260/28A RU2456648C1 (ru) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011111260/28A RU2456648C1 (ru) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2456648C1 true RU2456648C1 (ru) | 2012-07-20 |
Family
ID=46847560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011111260/28A RU2456648C1 (ru) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2456648C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU179015U1 (ru) * | 2017-08-07 | 2018-04-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет", ФГБОУ ВО "АГТУ" | Фотонная коммутационная ячейка |
| RU186690U1 (ru) * | 2018-04-16 | 2019-01-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет" ФГБОУ ВО "АГТУ" | Фотонная коммутационная ячейка на основе метаматериала |
| RU205443U1 (ru) * | 2020-11-03 | 2021-07-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Устройство фотонной квантовой связи |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2096815C1 (ru) * | 1994-09-02 | 1997-11-20 | Ольга Викторовна Гончарова | Оптический переключающий элемент |
| RU2330313C1 (ru) * | 2007-01-10 | 2008-07-27 | Военная академия связи | Оптический многослойный фильтр |
-
2011
- 2011-03-24 RU RU2011111260/28A patent/RU2456648C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2096815C1 (ru) * | 1994-09-02 | 1997-11-20 | Ольга Викторовна Гончарова | Оптический переключающий элемент |
| RU2330313C1 (ru) * | 2007-01-10 | 2008-07-27 | Военная академия связи | Оптический многослойный фильтр |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU179015U1 (ru) * | 2017-08-07 | 2018-04-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет", ФГБОУ ВО "АГТУ" | Фотонная коммутационная ячейка |
| RU186690U1 (ru) * | 2018-04-16 | 2019-01-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный технический университет" ФГБОУ ВО "АГТУ" | Фотонная коммутационная ячейка на основе метаматериала |
| RU205443U1 (ru) * | 2020-11-03 | 2021-07-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Устройство фотонной квантовой связи |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7515803B2 (en) | Optical element, manufacturing method thereof, and optical device | |
| JP4703627B2 (ja) | １×２偏波スプリッタおよび１×２偏波無依存型光スイッチ | |
| KR100318041B1 (ko) | 그레이팅소자, 그레이팅소자를 이용한 광파장선택 및 광신호전송시스템 | |
| CN107407776B (zh) | 高折射率对比度光子器件及其应用 | |
| Domash et al. | Electronically switchable Bragg gratings for large-scale NXN fiber optic crossconnects | |
| EP3108296A1 (en) | Polarization independent electro-optically induced waveguide | |
| US6661942B1 (en) | Multi-functional optical switch (optical wavelength division multiplexer/demultiplexer, add-drop multiplexer and inter-connect device) and its methods of manufacture | |
| WO2004023174A2 (en) | Photorefractive devices | |
| RU2456648C1 (ru) | Оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала | |
| US20100039693A1 (en) | Surface-Plasmon-Based Optical Modulator | |
| TW200422645A (en) | Fiber-optic tunable filters and intensity modulators | |
| Calo et al. | Tunability of photonic band gap notch filters | |
| CN103823276A (zh) | 基于一维光子晶体结构的液晶光开关 | |
| Oh et al. | Integrated-optic focal-spot intensity modulator using electrooptic polymer waveguide | |
| Wang et al. | Tunable Optical Delay Line Based on SOI Contradirectional Couplers with Sidewall-Rnodulated Bragg Gratings | |
| RU2410809C1 (ru) | Твердотельный лазер, управляемый электрическим полем, и способ переключения частоты твердотельного лазера | |
| Runde et al. | Integrated-optical add/drop multiplexer for DWDM in lithium niobate | |
| Ghoumid et al. | Multi-wavelength filtering wideband by cascade bragg reflectors in optical waveguides | |
| RU2248022C2 (ru) | Оптический элемент, способ управления его спектральной характеристикой, система оптических элементов и способ управления этой системой | |
| US6647167B1 (en) | Solid state optical switch and router | |
| JP2005284240A (ja) | フォトニック結晶導波路、均質媒体導波路、および光学素子 | |
| Sharma et al. | $1\times 2$ Optical Switch Based on Nematic Liquid Crystal Core Waveguide | |
| CN113204149A (zh) | 光纤集成光开关、制造方法及光开关方法 | |
| Gu et al. | Fiber based devices for DWDM optical communication systems | |
| Shyu et al. | A novel tunable optical add/drop multiplexer with liquid crystal as the active layer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150325 |