способ переключения оптических волн ортогональных поляризаций

Формула изобретения

1. Способ переключения оптических волн ортогональных поляризаций, заключающийся в том, что на вход объекта, обладающего двулучепреломлением, кристалла или оптического волновода направляют линейно поляризованную оптическую волну накачки и ортогонально ей поляризованную оптическую сигнальную волну, отличающийся тем, что вектор поляризации волны накачки или сигнала направляют вдоль оптической оси объекта, обладающего двулучепреломлением, или под углом много меньше /2 к этой оси, а интенсивность волны накачки выбирают выше порогового значения, определяемого из условия



где - кубично-нелинейный коэффициент объекта (волновода или кристалла);

= n_o-n_e - разность эффективных показателей преломления ортогонально поляризованных волн,

и интенсивность волны сигнала изменяют в пределах от нуля до максимального значения I_{s max} < 0,1 I_р.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол между оптической осью объекта, обладающего двулучепреломлением, и вектором поляризации волны накачки или сигнала выбирают в соответствии с требуемым режимом переключения в диапазоне от нуля до угла, много меньшего /2.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что выбор угла между оптической осью объекта, обладающего двулучепреломлением, и вектором поляризации волны накачки или сигнала осуществляют путем поворота объекта.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что оптические частоты волн сигнала и накачки совпадают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики.

Известен способ переключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) ортогональных поляризаций, заключающийся в том, что между волнами ортогональных поляризаций за счет выбора ориентации кристалла или волновода создают линейную распределенную связь, подают мощную оптическую волну (накачку) и одновременно малый управляющий оптический сигнал и интенсивность сигнала изменяют. При этом на выходе среды резко меняется соотношение интенсивностей волн различных поляризаций.

Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является недостаточно высокий коэффициент усиления и трудность ориентирования объекта (кристалла или оптического волновода).

Технический результат изобретения выражается в повышении коэффициента усиления сигнала и создании благоприятных условий для реализации оптического транзистора, а также приборов на его основе.

Технический результат достигается тем, что за счет выбора ориентации объекта (обладающего двулучепреломлением) и вектора поляризации падающей волны линейная связь волн ортогональных поляризаций полностью устраняется.

Взаимодействие ОРСВ двух ортогональных поляризаций в двулучепреломляющей кубично-нелинейной среде с амплитудами A_x и A_y описывается уравнениями



где K - коэффициент связи;

= _y-_x - различие между показателями преломления волн с поляризациями вдоль осей x и y;

= z/c,

z - координата вдоль распространения ОРСВ;

- нелинейные коэффициенты.

Если перейти к интенсивностям и фазам, то уравнения (1) примут вид



где

штрих означает дифференцирование по .

Главная сложность уравнений (1,2) состоит в присутствии члена с Для периодически скрученного волоконного световода (поляризационного фильтра) член с может быть отброшен.

Нами найдено специальное преобразование переменных, которое упростило уравнения и позволило найти их аналитическое решение



где введены нормированные параметры Стокса

=(I_y-I_x)/I,



I=I_x+I_y, I_n= I/3,





(z=0),

₀= (z=0),

u₀= ²₀ + ²₀, S=s+s₀,





l - длина образца (разумеется, l можно трактовать и как текущую координату z),



Это решение справедливо для любых начальных условий I_x0=I_x(z=0), I_y0= I_y(z=0), ₀= (z=0) и для любых значений K и .

Как известно самопереключение ОРСВ имеет место при условии r=1 или r₁=0 (средняя точка самопереключения M), т.е. в данном случае при условии



из которого определяем I_n в средней точке переключения M

I_nM(1-²₀-²₀) = 2[₀+K₀+sign()] (5)

Поведение решения (3) определяется двумя ключевыми членами, для которых в области самопереключения справедливы аппроксимации



где U = r²₁exp(S)/16.

В данном изобретении акцент делается на случае K=0, в котором интенсивности (выражающиеся через описываются членом в (3) пропорциональным sn² (S, r), который достигает экстремальных значений 0 и 1 соответственно при U²=1 и U=0.

В рассматриваемом случае (K=0) условие самопереключения (4,5) удовлетворяется при



При cos(₀) = 0 коэффициент усиления малого изменения интенсивности в средней точке переключения M (r=1) вычисляется по формуле



где

Экстремальные значения T_x и глубина переключения T определяются формулами



При имеем T 1, т.е. при достаточно больших интенсивностях самопереключение становится почти полным. Формула (8) дает гораздо больший коэффициент усиления, чем аналогичная формула для случая =0; он становится чрезвычайно большим даже при относительно небольших L. Например, при имеем I_xl/I_x0 10⁶R_y510⁶ и T 0,85; при L=1,6 , R_y= 3 получаем I_xl/I_x0 1210⁶R_y3610⁶ и T 0,75. Эти данные хорошо согласуются с результатами численного решения исходных уравнений (1).

Переключение возможно и при cos(₀) 0.

В области больших интенсивностей сигнала I_xo таких, что I^-_n²(+)² 1, с ростом I_xo биения выходных интенсивностей I_xl, I_yl происходят с нарастающей амплитудой. Физически это объясняется нелинейной связью, обусловленной членом с которая как бы увеличивается с ростом интенсивностей. В принципе эти переколебания интенсивностей также можно использовать для переключения излучения.

На чертеже приведена зависимость коэффициента передачи мощности излучения накачки T_x I_x/(I_xo+I_yo) от нормированной интенсивности сигнала поляризованного ортогонально накачке, при



где - нормированная интенсивность накачки.

Возможность осуществления данного изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Накачку с длиной волны 1 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси (Y) вводили в волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-Ga_xAl_1-xAs, с x = 0,23, представлявшей набор квантовых ям; 10^-4 СГСЭ. Разность показателей преломления двух ортогонально поляризованных волн составляла n = 310^-4= . Площадь поперечного сечения примерно 10^-7см². Длина волновода 1 см. Интенсивность накачки устанавливалась большей, чем т.е. вводимая мощность накачки была порядка 1 мВт. При подаче в тот же волновод слабого сигнала (той же длины волны), но полязированного вдоль горизонтальной оси (X) и его изменении на 0,1 мкВт мощность на выходе в каждой поляризации менялась примерно на 1 мВт.

Пример 2. Накачка с длиной волны 0,5 мкм от аргонового лазера, поляризованная вдоль вертикальной оси (Y), вводилась в волоконный световод с двулучепреломлением порядка 10^-7; 10^-13 СГСЭ. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7см². Длина световода составляла 10 м. Интенсивность накачки устанавливалась большей, чем т.е. вводимая мощность порядка 100 Вт. В тот же волновод подавали слабый сигнал, поляризованный вдоль горизонтальной оси (х), и изменяли его примерно на 1 мВт. Мощность на выходе в каждой поляризации менялась примерно на 20 Вт.