Оптический мультивибратор

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ йй;5 ДЯЩ п К ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам 1(71) Институт общей физики АН СССР (2) Майер АА(73) Майер Апександр Александрович (54) ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР (57) Изобретение относится к оптическим логическим элементам. Сущность: оптический мультивибра(19) ВУ (11) 20 О 3150 СХ(51) 5 0 02 Р 3 00 тор содержит два кубично-непинейных туннепьносвязанных световода, охваченных цепью обратной связи с выхода одного из световодов на вход другого, при этом в цепи обратной связи установлен преобразователь одной циркулярной поляризации в другую. Дополнительно в цепи обратной связи может быть установлен поляризационный фильтр. 1 з.п.ф - лы, 3 ил.:.:.ост;:.тко, прототипа является паро, ва; нння набега фазы сигнала в цепи:,ель ). бретенил - устранение пара";." "лияий набега фазы сиГнала В це:Н:."; СВЯЗИ И РЕЗКОЕ ПОВЫШЕНИЕ,1,Т", ,н;1 зтпра,.)ь дсстигае)ся тем, что в канале обрат. зи установлено устройство, преобралну нвркулягную поляризацию в), н нак,-ч.;3. Сигнз) (3) и нака)ка (р) подоз. х:;д Одного волновода: Вор.=0,948,10 в Р д, 1 л "О,б) на входы разных вол новодов: Бор = 1,052,В) =- 0, ;Ов = О, Г.)з 0,=- , бГ, а 0.На фиг, 2 представлены устройства, ое:Ованые на нелинейных ТСВ с Обратной)-)а фиг. 3 показаны последовательностип)нямОУГОльных имг)ульсов излучения на Вы".ходе ТСВ (для схем на фиг, 2,а и 2,б 01 И г),МВТОД чисто Оптическг)ГО перекл)оченияизлуче) ил 31 в тун)вельно-связанных ВолноВодах ГтСВ) вызывает всевозрастающий ин-.,:рес В связи с возможностьЮ создания наего Основе пвреключа)ощих зяементов дляОптических Вычислительных машин, оптических транзисторов, мультивибраторов и т,д,.Зтот метод основан на явлении самоперекл)очения излучения в ТСВ (3-6). (Самопереключение излучения может иметь место ив других системах с однонаправленнымираспределенно-связанными волнамиОРСВ,Исследование переключения накачкина частоте 1) (в ТСВ и друГих системах сОРСВ) с входной интенсивностью, близкойк крити )еской(3), слабым управля)ощим сигналом на частоте в показало, в частности, что выходные интенсивности волн не зависят от входных фаз сигнала и накачки,Предположим теперь другую, во многоманалогичную 7) ситуацию, а именно что сигнал и накачка имеют разную циркулярную поляризацию (а их частоты одинаковы), В этом случае, как нетрудно убедиться, взаимодействие сигнала и накачки в.изотропныхТСВ описывается уравнениями)-м волноводе, полностью аналогичными уравнениям в 7), но более простыми, так как в данном случае козффициенты связи к волн сигнала и накачки одинаковы, как и их параметры расстройки а. В уравнения входит также один и тот же нелинейный коэффициент с, Иными словами, уравненияявляются частным случаем уравнений 7), Разумеется, справедливы и соответствующие интегралы 7) в частности;Е = Ов+ 1 в = Ово+ 1 во,Ор+ 1 р = Оро+ 1 ро50с = КрЛОрр 603(Фр) 1 ъОв 1 вс 08(Фя)Ъ%)рОр - а 4 ЪзОз + Й)рбр/4 + Й)Аз/4 +5501 рйр/4 + О 1 31 в/4 + 83 врОр)Ов + 01 вр)1 р 1 вгде Е, 6 - интег рал ы;з = 1 А 1 з 1, 1 р = 1 Ар интенсивности2 сигнала и накачки в )-м волноводе;фэ = ф 1 р -фэр И 4 Ъ = ф 1 з - фаз, Яр, Яз - фазы накачки и сигнала;511 з(2=0) = 1 зо, 1 р(2=0) - = 1 ра - входные интенсивности волн,Поэтому естественно ввести коэффициенты передачи энергии 1-м волноводом;10Тз = 11 з 1/(10 за+ 1 за), Тр = 11 р 1/(10 ра+ 11 ра), где 1;з(2 = 1) =- 1 з 1, 1 р(2=1) - = Цр - выходные интенсивности волн.Имеем: Тар+Т 1 р=1, Таз+Т 1 з=1, Введам 15 также нормирование (на критическое значение 1 м = 8 К/ Й+ О) входные интенсивности , В 1 р = 1 ра/и, Вз = 1 ьзО/1 м и1 нормированную длину= 2 лК р.20В силу аналогичности уравнений (1) и в Я, даже без решения (1), можно сделать вывод атом, что при подаче на вход сигнала, поляризованного ортогонально накачке, выходные интенсивности сигнала и накачки 25 НЕ ЭаВИСЯт От ВХОДНЫХ фаэ СИГНада Рзо) И накачки (фра),Численное решение (1) (см.фиг.1) подтвердило сказанное и для идентичных ТСВ (а = О, Й) = В = Й показало следующее. 30В областях самопереключения можно пользоваться аппроксимацией (5) Тр =0,5 351 + (г 1/256)ехр(21 ) где г 1 =1- г и г-=(ВОр.2 В 1 з) для случая ввода накачки и сигнала в разные волноводьк 40 г 2 = (Вар+ 3,2 В 1 з) при вводе накачки и2 сигнала в один волновод.Крутизна характеристики в средней точке М (т.е. коэффициент усиления оптического транзистора) оценивается по формуле Кз = 1 д 1 р 1/д 11 зо = 1 д 1 з 1/д 1 ьо 1 =,3,2 ехр( )/8,В случае ввода накачки и сигнала в один волновод при Вор+ 3,2 ВОз = 1 + 8 ехр(-1) почти все излучение накачки покидает нулевой волновод. 50Полученные результаты можно использовать для создания оптических мультивибраторов, устойчивых к нестабильности фазы волны в цепи обратной связи, Примеры таких мультивибраторов показаны на фиг.2. 55 Используем основную идею (1,2) создания оптического мультивибратора на ТСВ,Пусть, например, постоянное циркулярно поляризованное излучение(накачка) с нормиРованной интенсивностью Вор=1-8 ехР(-1) вводится в нулевой волновод, а часть излучения с выхода первого волновода пропускается сквозь устройство Р, преобразующее одну циркулярную поляризацию в другую, и подается (с помощью зеркал или волновода обратной связи (2 на вход нулевого волновада (фиг.2,а), причем коэффициент передачи энергии с выхода первого волновода на вход нулевого равен: д =бехр(-Е)/Вор. Таким образом В 1 з = О, Вор = 1-8 ехр(-1.), Воз = =дВОр=бехР(-), Вор + 3,2 ВОз = 1+8 ехР(-1 ),При таком выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс, Излучение, поступившее на вход нулевого волновода в момент т=О через время своего прохода по ТСВ, равное т, оказывается на выходе первого валновада. 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 ", = 2 г+ т все излучение начинает выходить уже из нулевага волновода. Следовательно, ь момент т = 2 т+ 2 г прекращается ввод сигнала в нулевой волновод, и поэтому в момент 1 = 2 г + Зг все излучение вновь выходит из первого волновода, В дальнейшем процесс повторяется с периодом, равным 2(т+ т) (фиг.3).В ряде случаев схема оптического мультивибратора может быть неустойчива в связи с тем, что по каналу обратной связи проходит излучение с поляризацией, отличной от требуемой, В этих случаях целесообразно ввести в канал обратной связи поляризационный фильтр Г, препятствующий проходу паразитного излучения (фиг.2, б, в, г).В схеме оптического мультивибргтора на фиг,2,в,г циркулярно поляризованная накачка с ВОр = 1+8 ехР(-1 ) ввоДитсЯ в нУлевой волновод, а часть излучения с выхода нулевого волновода пропускается сквозь поляроид Р, не пропускающий(в канал обратной связи) излучение с циркулярной поляризацией, противоположной исходной, затем сквозь устройство Р, преобразующее одну циркулярную поляризацию в другую, и затем вводится в первый волновод, Причем коэффициент передачи мощности с выхода нулевого волновода на вход первого равен:д =бехР(-)/Вор т,е. Воз =- О, Вор - 1+ +8 ехр(-Ц, В 1 з = =дВОр==ехр(-1),При указанном выборе параметров в системе возникает следующий периодический процесс. Излучение. поступившее на вход нулевого волновода в моментам=О, через время т оказывается на выходе нулевого волновода, Затем через время т 1 часть этого:;з чеия начинает вврдиться в первыйволновод и поэтому еще через время т, т.е.а. омент с.= 2 г+ тт, все излучение начинаетвыходить уже иэ первого волновода, Следовательно, в момент т = 2 г+ 2 тпрекращается;шступление сигнала в первый волновод; оэтсму в момент 1 = 2 р+ Зт все излучение накачки вновь выходит из нулевого волновода, Ы дальнейшем процесс повторяетсяс периодом 2(тг+ т), 10Итак, в обеих рассмотренных схемах навыходе волноводов формируются две противо.ьазные последовательности импульсовпо ии прямоугольной формы (фиг,З), Длитсльносгь одного импульса равна тт+ г. 15В то чение этого времени все излучение выходит либо из первого, либо из нулевоговолновода. Таким образом, система является оптическим мультивибратором в режимеавтоколебаний, 20Еще раз подчеркнем, что в данных схемах оптичес;кого мультивибратора на ТСВ;":ъ н но зависят от набега фазы сигнала в.25р лмер конкретной реализации изобпетенил,Для со;дания оптического мультивиб,о, схема которого изображена на; и .",а, в качестве ТСВ использованы две 30одц;ако алые жилы двужильного волоконного световода, которые в сочетании с общейоболочкой из плавленного кварца образовывали одномодовые волноводы, туннельно-связанные между собой, Скачок 35показателя преломления между жилой иоболочкой ЙЗ =-0,005; радиус одной жилыа = 1,3 мкм; площадь поперечного сеченияБ =5 10 см; расстояние между краямижил составляло 6 мкм; длина одной перекачки в линейном режиме ь =4 м; коэффициенттуннельной связи К 10; длина ТСВ= 6-2Вт, На вход мультивибратора поступало излучение от аргонового лазера(Л = 0,51 мкм)мощностью =10,3 Вт. В качестве смесителя(у входа нулевого волновода) использовалиполупрозрачное зеркало с коэффициентомотражения =200 и коэффициентом пропускания =80, Поэтому в нулевой волноводпервоначально поступало излучение мощностью примерно 8,25 Вт, что отвечало интенсивности л, При этом почти все(1)излучение выходило из первого волноводаи направлялось(с помощью зеркал) по каналу обратной связи на вход нулевого волновода, Канал обратной связи был снабжен устройством Р, при проходе излучения сквозь которое правая циркулярная поляризация излучения преобразовывалась в левую циркулярную. Длина канала обратной связи составляла 6 м и время прохода света по нему т =20 нс. Время прохода по ТСВ г =,30 нс, Коэффициент передачи мощности излучения с выхода первого волновода на вход нулевого составлял д = 10,40 , поэтому через время т+тт = 50 нс после появления излучения на выходе первого волновода излучение из канала обратной связи (имеющее левую циркулярную поляризацию) мощностью 0,28 Вт вместе с излучением накачки мощностью 8,25 Вт вводилось в нулевой волновод, В результате еще через время т =30 нс почти все излучение накачки мощностью 8,5 Вт оказывалось на выходе нулевого волновода. В дальнейшем процесс повторялся с пери. - дом х+ гс =-50 нс, и на выходе волноводов формировались две противофазные последовательности прямоугольных импульсов, причем длительность каждого импульса составляло примерно 50 нс.(56) Майер А.А, О самопереключении излучения, введенного в два неидентичных туннельно-связанных волновода, Препринт М 351, 1987, с. 45,А,А.Маег,цй 1 ЯеН-ЯМйегз аиб ортса Тгапззтогз Вазес оп Типпе-Соирес Орекса В/ачецисез (ТСОВ/з). - Рарегз оп Орсса Согпаипсасоп, БРЕ риЫсатоп 1988, зреса ззие, рр 27-37,Авторское свидетельство СССР М 1152397, кл, 6 02 Р 1/37, 1988,Майер А,А. Оптические транзисторы и бистабильные элементы на основе нелинейной передачи света системами с однонаправленнь,ми связанными волнами, - Квантоь=л электроника, 9, М 11, 1982, с, 2296-2302,Майер А,А. О самопереключении света в направленном ответвителе, - Квантовая электроника, 11. М 1, 1984, с. 157-162.Майер А.А. Самопереключение света в интегральной оптике, - Изв, АН СССР, сер,физ., 48, ч. 7, 1984, 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, К. 11, 1986, с, 1360-1368.Формула изобретения1. ОПТИЧЕСКИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР,содержащий два кубично-нелинейных туннельно-связанных световода, охваченных цепью обратной связи с выхода одногоБ световода на вход другого, при этом выходом мультивибатора является выход одного из световодов, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности выходнойхарактеристики, в оптический мультивибратор дополнительно введен преобразователь циркулярной поляризации, расположенный в цепи обратной связи.2. Мультивибратор по и.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен по крайней мере один поляризационный фильтр, установленный в цепи обратной связи,в) П П фиГ.З.Составитель А. МайерТехред М,Моргентал ректор Н, Коропь Редактор Л. Волков Подписное аказ 32 Тираж НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10