Оптический мультивибратор

(51)5 0 О ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС (ГОСПАТЕНТ СССР НТНО ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ачки ах с экой гна, что,: ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт общей физики АН СССР (72) А.А,Майер(56) Майер А,А. Самопереключение света в интегральной оптике. Изв. АН СССР, сер, физ,: 1984, М 8, М 7, с. 1441-1446.Майер А.А, Переключение излучения в туннельно-Связанных оптических волноводах слабым излучением на другой частоте, Препринт ИОФАН, ММ 122, 1985, с, 26,Квантовая электроника, 13, М 11, 1986, с, 1360-1368. Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики,Целью изОбретения является устранение параэитного влияния набега фазы сигнала в цепи обратной связи и резкоеповышение стабильности выходных характеристик мультивибратора,На фиг.1 приведена зависимость коэффициента передачи мощности излучениянакачки (Тор) нулевым волноводом и косинуса разности фаз волн накачки (сов( фр отнормированной интенсивности сигнала, поляризованного ортогонально накачке, Сигнал (э) и накачка (р) подаются: а - на входодного волновода: Вор = 0,9, В 1 р = О, ВозуО,В 1 Р = 0; б - на входы разных волноводов: Вор== 1,1, В 1 р = О, Воз = О, В 1 вФО;= 1,6 1 т, а = О;на фиг.2 - устройства, основанные на нелинейных ТСВ с обратной связью, в качествеоптических мультивибраторов; на фиг,3 -последовательности прямоугольных им(54) ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР (57) Применение: нелинейная интегральная и волоконная оптика, создание сверхбыстродействующих оптических переключателей. и мультивибраторов. Сущность; мультивибратор включает туннельно связанные волноводы, на выходе которых формируются две противофазные последовательности прямоугольных импульсов, Предложенная схема оптического мультивибратора характеризует- ся тем, что в канале обратной связи установлено устройство, поворачивающее плоскость поляризации излучения на 90. Указанный поворот плоскости поляризации устраняет паразитное влияние набега фазы сигнала в канале обратной связи и повышает стабиль-ность выходных характеристик оптического мультивибратора. 3 ил,пульсов излучения на выходе ТСВ (для схемы.на фиг.2 а,б, для схемы на фиг.2 в 01 .1 1).Метод чисто оптического переключения - й излучения в туннельно-связанных волново- ОО дах(ТСВ) вызывает все возрастающий инте- С рес в связи с возможностью создания на его у основе переключающих элементов для оп- р тических вычислительных машин, оптических транзисторов, мультивибраторов и т.д.Этот метод основан на явлении самопереключения излучения в ТСВ, Самопереключение излучения может иметь место и в других системах с однонаправленными распреде-ъ ленно-связанными волнами (ОРСВ),Исследование переключения нак на частоте Р (в ТСВ и других систем ОРСВ) с входной интенсивностью, бли к критической, слабым управляющим с лом на частоте.и показано, в частностивыходные интенсивности волн не зависят отвходных фэз сигнала и нэкачки,Предположим теперь другую, но во многом аналогичную ситуацию, э именно, чтополяризации сигнала и накачки ортогональны друг другу (а их частоты одинаковы). Вэтом случае, кэк нетрудно убедиться, взаимодействие сигнала и накачки в изотропныхТСВ описывается уравнениями:1 3 -- р. + кехрЗа г 2 гргг А 1 р =Л бАОВ ( дор + до2)дор,-- Е- + Кехр(.а г 2 йя АерЛ йдК г 1 гЩ А 1 р+ А 1 з )А 1 р, (1)1 В + Кехр(1 а г 2 л/Л )А 1 з =Л, сАоз=-6 (Аоз Р+ Аор Фдо1 3 + Кехр(-1 а г л/Л)доз = .Л, сАзЛ бг8 д, +д, )дгде А 1 з, Ар - аМплитУДы сигнэлэ накачки в)-м волноводе, полностью аналогичнымиуравнениям 71, но более простыми, так какв данном случае коэффициенты связи (К)волн сигнала и накацки одинаковы; одинаковы и их параметры рэсстройки а; в уравнения входит также один и тот женелинейный коэффициент 8), Иными словами, уравнения (1) являются частным случаемуравнений 71; Разумеется, справедливы исоответствующие интегралы 71. в цастноСти: оз+11 з = 10 зо+11 зо, (Ор+11 р = 1 Оро+11 ро, где11 з = А 1,1, 11 р = А 1 р- интенсивности2 2сигнала и накачки в )-м волноводе, э 1 з(г=О)=:-1 зо, 11 р(г=О)=-11 ро - входные интенсивностиволн. Поэтому естественно ввести коэффициенты передачи энергии )-м волноводом;Т 1 з=1 з Г/(10 зо+11 зо), Т 1 р=11 р 1/(10 ро+11 ро) ГДЕ11,(г=1) 1 зь 1 р(г=1) 11 р - выходные интенсивностиволн, Имеем: Тор+Т 1 р = 1,Тоз+Т 1 з = 1.Введем также нормированные (на критицеское значением = 8 К/Оо + О ) входныеинтенсивности: Вр=1 ро/1 м, В 1 з=1 зо/1 м и нормированнуо длину=2 Л КУ Л/3В силу аналогичности уравнений (1) и7), раже без решения (1), можно сделатьвыводо том, что при подаче на входсигнэла,поляризованного ортогонально накачке,. выходные интенсивности сигнала и накачкине зависят от входных фаз сигнала ( узо) инакачки ( ср 1 ро).Численное решение (1) (см. фиг.1) подтвердило сказанное и для идентицных ТСВ(а ьО, И, = О = 0 ) показало также следующее.8 случае, когда накачка и сигнал подаотся нэ вход одного волноводэ(скажем, нулевого), имеем Тоз=Тор, Т 1 з=Тр, сов( Фр)=сов( Фз),(где Ф =рв - срор, ФЬ = рз - рь, а Яр и р 1 з - фазы накачки и сигнала в)-м волноводе), т.е, накачка и сигнал полностью синх ронны, но могут быть разделены нэ выходе с помощью поляризэтора. Средняя точка самопереклочения М отвечэет соотношению В 1 з=-1-Вор, для ее достижения входная интенсивность накачки должна быть чуть меньше критической т.е, Вор 1 (фиг.1 э),Если Воз=1-Ворехр(-1)О,тоТ 1 р = Т 1 з = 1, Тор = Тоз = 0 (точка М( ; если Во,=1- Вор+8 ехр(-1)0 то Тор = Тоз = 1, Т 1 р = Т 1; - = О (точка М ), Крутизна характеристики в ,средней точке М (т.е, коэффициент усиления оптического транзистора) оценивается по известной формуле.51: сз = д 1 ор 1/У 1 озо = ехр/8,В другом случае, когда накачка и сигнал 20 подэотся на входы разных волноводов (накачка - на вход нулевого, э сигнал - на вход , первого) (фиг.1 б), имеем; Т 1 з=Тор, Тоз=Вр, сов Ф 1 =-соз ФЬ . Накачка с ростом слабого сигнала переклюцэется с выхода нулевого волновода на выход первого волноводэ, э не наоборот (как при вводе и сигнала и накачки в нулевой волновод), Кроме того, в этом случае при большой мощности сигнала происходит Еще одно переклочение излучений накачки и сигнала.В точке 0 имеем г гВоо-В 1 з=О, т,е. В 1 з=Вор и Тор=Тз=(1/2)1+сов(1 )3. Таким образом, вблизи точки 0 существует "островок" с линейным режимом, где с 7 ТрВ В 1 з = О,В точках М 1 и Мг имеем г=1, т,е, в точке М 1 В 1 з=Вор, а в точке М 2 В 1 з=Вор+1, Таким образом, точки М 1 и М 2 являются средними точками переключения соответственно для первого и второго переклочений. Для достижения точки М 1 при малом сигнале входная интенсивность накачки должна быть чуть больше критической, т,е, Вор 1.Если В 1 з=Вор8 ехР(-3 )О, то Тоо =Т 1 з=1, Т 1 р =Тозр = 0 (точкэ Мр ); если В 1 з=йор+8 ехр(-1)0, то Тор =Т 1, =О, Т 1 р=(Ь =Тоз =1 (точка М 1 р ; Анэлогично, для. вто-. рого переключения при В 1,ай=Вор+1-8 ехр(-3)0 имеем Тор =Т 1 з = О, Т 1 р = Тое(о)Крутизна характеристики в средних точках М 1 и М 2 (т.е. коэффициент усиления оптического транзистора) оценивается по формуле 51:сз= д 1 ре/д 11 зо 1= 55 9 за/д 11 зО=ехр(3 )/8.В областях самопереключения справедлива аппроксимация 5)г Т 43 51 -- 1 г 1/16 ехр 1.1+(г 1/256) ехр (21 )где г 1 ь 1-г=1-(Яор-Я 1 з)2для случая ввода накачки и сигнала в разные волноводы, и г 1 =1-(Яор+Вь) для случая ввогда накачки и сигнала в один волновод.Полученные результаты можно использовать для создания оптических мультивибраторов, устойчивых к нестабильности фазы волны в цепи обратной связи, Примеры таких мультивибраторов показаны на фиг.2, Используем основную идею 1,2) создания оптического мультивибратора на ТСВ.Пусть, например, постоянное линейно поляризованное излучение (накачка) с нормированной интенсивностью Яор = 1-8 ехр(-) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода первого волновода пропускается сквозь устройство Р, поворачивающее плоскость поляризации на 90 (например, кристаллическую пластинку в полволны), и подается (спомощью зеркал или волновода обратной связи 2) на вход нулевого волновода(фиг,2 а), причем коэффициент передачи энергии с выхода первого волновода на вход нулевого равен: о = 16 ехр(-1)/Яор = 16 ехр(-3). Таким образом; Як=О. Вор = 1-8 ехр(-), Яо= Яор = 16 ехр(-Е),Вор+Яа = 1+8 ехр-)При таком выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс, Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент т=О, через время своегопрохода по ТСВ. равное т, оказывается на выходе первого волновода. Затем, через время т (время пробега излучением цепи обратной связи), часть этого излучения начинает вводиться (вместе с накачкой) в нулевой волновод, и поэтому еще через время т, т.е. в момент 1=2 т+ т, все излучение начинает выходить уже из нулевого волновода. Следовательно, в момент 1=2 Г+ +2 тт прекращается ввод сигнала в нулевой волновод и поэтому в момент с=2 й + +3 т,все излучение вновь выходит из первоговолновода, В дальнейшем процесс повторяется с периодом, равным 2( ге + г) (фиг,З).В ряде случаев схема оптического мультивибратора может быть неустойчива в связи с тем, что по каналу обратной связи проходит излучение с поляризацией, ортогональной требуемой. В этих случаях целесообразно ввести в канал обратной связи поляроид А, препятствующий проходу паразитного излучения (фиг,2 б,в).В схеме оптического мультивибратора на фиг.2 в линейно поляризованная накачка с Яор = 1+8 ехр(-1) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода нулевого волновода пропускается сквозь поляроид А, не пропускающий (в канал обратной связи)50 соображений мокно сделать вывод, что отклонение угла поворота плоскости поляризации от 90 не должно превышать 20. В противном случае теряется положительныйэффект изобретения.Рассмотрим пример конкретной реализации изобретения.Для создания оптического мультивибратора, схема которого изображена нафиг.2 а, в качестве ТСВ использованы двеодинаковые жилы двужильного волоконного световода. которые в сочетании с общей излучение, с поляризацией, ортогональной исходной, затем пропускается сквозь устрой-.ство Р, поворачивающее плоскость его поляризации на 90 О, и затем вводится в первый 5 волновод, причем коэффициент передачимощности с выхода нулевого волновода на вход первого равен сг= 16 ехр(-1.)/Яор, т.е, ВОБ=О, Вор = 1+8 ехр(-Е), Я 1 = Яор = 16 ех-).При указанном выборе параметров в си стеме возникаетследующий периодическийпроцесс. Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент 1=0, через время т оказывается на выходе нулевого волновода. Затем через время т часть этого 15 излучения начинает вводиться в первый волновод, и поэтому еще через время т, т.е. в момент 1=2 т + т, всеизлучение начинает выходить уже из первого вол новода, Следовательно, в момент т=2 г + 2 г прекращается поступление сигнала в первый волновод и поэтому в момент г 2 Р + 3 г все излучение накачки вновь выходит из нулевого волновода, В дальнейшем процесс повторяется с пе- .риодом 2(ц + т) .Итак, в обоих рассмотренных схемах навыходе волноводов формируются две противофазные последовательности импульсов почти прямоугольной формы (фиг.3). Длительность одного импульса равна тг+ т; в течение этого времени все излучение выходит либо из первого, либо из нулевого волновода, Таким образом, система является ойтическим мультивибратором в режиме автоколебаний.Еще раз подчеркнем, что в данных схемах оптичеСкого мультивибратора на ТСВ (в отличие от (1,2 выходные интенсивности волн не зависят от набега фазы сигнала в цепи обратной связи.С каким разбросом по углу можно поворачивать плоскость поляризации на 90 Как известно, самопереключение излучения происходит, еслил, При этом коэффициент усиления изменения сигнала 11- "-ехр(Е)/8 и при =,7 г К. Поэтому разбросзначений интенсивности сигнала (на входеТСВ) не должен превышать ЗОО/, Из этих1805437 б,рЬ) 2,4 оболочкой иэ плавленного кварца образовывали одномодовые волноводы, туннельно-связанные между собой. Скачок показателя преломления между жилой и оболочкой Ьп = 0,005, радиус одной жилы 5 а= 1,3 мкм; площадь поперечного сечения Я = 5 10 см; расстояние между краями жил составляло 6 мкм; длина одной перекачки в линейном режиме 1 ь = 4 м; коэффициент туннельной связи К - 10 ; длина ТСВ 10 - 6 м; 1 = 1,6 д . Нелинейный коэффициент О- "10 " см/эрг, критическая мощность =3,5 Вт, На вход мультивибратора поступало излучение от аргонового лазера ( А = 0,51 мкм) мощностью = 4,2 Вт. В каче стае смесителя (у входа нулевого волновода) использовали полупрозрачное зеркало с коэффициентом отражения = 20 и коэффициентом пропускания = 80. Поэтому в нулевой волновод первоначально поступа ло излучение мощностью примено 3,3 Вт, что отвечало интенсивности 1 . При этом(1почти все излучение выходило иэ первого волновода и направлялось(с помощью зеркал) по каналу обратной связи на вход нуле вого волновода, Канал обратной связи был снабжен кристаллической пластинкой в полволны (Р), при проходе излучения сквозь которую плоскость поляризации излучения . поворачивалась на 90 +3, Длина канала обратной связи составляла 6 м и время прохода света по нему г = 20.нм. Время прохода по ТСВ т = 30 нм. Коэффициент передачи мощности излучения с выхода первого волновода на вход нулевого составлял сг = 10,4, поэтому через время ю+ т= 50 нс после появления излучения на выходе первого волновода излучение из канала обратной связи (поляризованное ортогонально накачке)мощностью 0,36 Вт вместе с излучением накачки мощностью 3,3 Вт вводилось в нулевой волновод. В результате еще через время т= 30 нм почти все излучение общей мощностью 3,66 Вт оказывалось на выходе нулевого волновода. В дальнейшем ,процесс повторялся с периодом т + х= 50 нс и на выходе волноводов формировались две противофазные последовательности прямоугольных импульсов, причем длительность каждого импульса составляла примерно 50 нс. Формула изобретения Оптический мультивибратор, содержащий два кубично-нелинейных туннельно связанных волновода, выход одного из которых оптически соединен с входом этого же или другого волновода, о т.л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности выходных оптических импульсов, между оптически соединенными выходом и входом установлено устройство, поворачивающее плоскость поляризации излучения на 90 й20 о1805437 у01 Л П 02. ФиГ.Э.Составитель А,МайерТехред М,Моргентал экто орректор А,Обручар Заказ 941 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям и 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Т СССР