Фотонный модулятор

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники и может быть использована при создании полностью оптических информационных систем для модуляции оптических сигналов, например, в волоконно-оптических линиях связи и в системах сети на чипе.
Известен аналог, приведенный в патенте WO 2017/046590А1 [1]. Он представляет собой фотонное устройство, содержащее: оптический волновод и модулирующий элемент, который эванесцентно связан с волноводом; при этом модулирующий элемент модифицирует характеристики пропускания, отражения или поглощения волновода в зависимости от его состояния, а состояние модулирующего элемента переключается управляющим оптическим сигналом, переносимым волноводом или электрическим сигналом, который нагревает модулирующий элемент. Основной недостаток данного прототипа связан с тем, что модулирующий элемент расположен поверх оптического проводника и не позволяет добиться высокой степени модуляции информационного оптического сигнала при переключении. Модуляция информационного оптического сигнала достигается за счет поглощающих свойств модулирующего элемента и изменения пропускательной способности в диапазоне от 10 до 30%, при этом часть сигнала все же распространяется дальше по оптическому проводнику или поглощается, что ведет к потерям информационного оптического сигнала на уровне 70%.
Аналогом-прототипом полезной модели является решение, приведенное в патенте CN 1993649А [1]. Он представляет собой четырехслойный модулирующий элемент для управления электромагнитными лучами. Модулирующий элемент содержит слой из материала с фазовым переходом в сочетании с диэлектрическими и металлическим слоями. Материал с фазовым переходом обратимо трансформируется между двумя или более структурными состояниями, где различные структурные состояния различаются относительно показателя преломления и/или коэффициента экстинкции. Структурное состояние материала с фазовым переходом устанавливает состояние сдвига фазы волны для слоя, который определяет направление распространения выходного луча, создаваемого падающим электромагнитным лучом. В зависимости от структурного состояния слой принимает одно из двух основных состояний сдвига фазы волны, и достигается возможность управления двоичным пучком, при которой падающий электромагнитный пучок может быть перенаправлен в любом из двух направлений. В предпочтительном варианте осуществления выходной луч представляет собой отраженный от металлического слоя луч с измененным значением сдвига фазы волны, а элемент содержит материал с фазовым переходом, расположенный между двумя диэлектрическими слоями и поддерживаемый металлическим слоем. Основным недостатком аналога-прототипа является то что, отражательная способность модулирующего элемента изменяется в диапазоне от 0 до 65%, при этом неучтенные 35% представляют собой оптические потери. Также в аналоге-прототипе не указано, как модулирующий элемент расположен по отношению к окружающей оптической среде распространения электромагнитных лучей, что немаловажно, т.к. непонятно под нормальным углом лучи падают и отражаются или под меньшими углами.
Расположение модулирующего элемента на торце оптического проводника, а также добавление дополнительных слоев с определенными толщинами и составами в структуру модулирующего элемента позволяют скорректировать распространение электромагнитной волны в многослойной структуре модулирующего элемента и добиться лучшей степени модуляции информационного оптического сигнала и меньших оптических потерь.
Анализ предшествующего уровня техники и возможностей, которые появляются при комбинировании их в одной системе, позволяет получить новый результат, а именно фотонный модулятор - устройство для модуляции интенсивностью информационного оптического сигнала, которое имеет диапазон изменения отражательной способности от 0% до 95% и меньшие в сравнении с аналогом-прототипом оптические потери на уровне 5% для информационного оптического сигнала.
Заявленная полезная модель направлена на решение технической задачи по расширению функциональных возможностей представленного прототипа, а именно в повышении надежности передачи информации за счет уменьшения оптических потерь.
Это достигается тем, что фотонный модулятор включает оптический проводник, модулирующий элемент, который содержит материал с фазовым переходом, отличается тем, что модулирующий элемент расположен на торце оптического проводника и представляет собой многослойную структуру, состоящую, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
На фиг. 1 представлен чертеж фотонного модулятора, где:
1 - оптический проводник;
2 - модулирующий элемент;
3 - слой из материала с фазовым переходом;
4 - информационный оптический сигнал;
5 - управляющий оптический сигнал;
6 - преобразованный информационный оптический сигнал при отражении от модулирующего элемента.
Устройство работает следующим образом: модулирующий элемент 2 в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой 3 из материала с фазовым переходом, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, поглощает информационный оптический сигнал 4 или отражает информационный оптический сигнал 4 назад в оптический проводник 1, преобразуя сигнал 4 в сигнал 6; фазовое состояние слоя 3 из материала с фазовым переходом изменяется управляющим оптическим сигналом 5.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
2
2
2
2
5
2
2
В качестве примера рассматривается фотонный модулятор, в котором оптический проводник 1 состоит из кварцевого стекла SiO, модулирующий элемент 2 состоит, как минимум, из пяти слоев: 110 нм Si, 30 нм SiO, 30 нм слой 3 из материала GeSbTe с фазовым переходом, 215 нм SiO, 110 нм Si. Поверх 110 нм слоя Si также может быть использован защитный шестой 20 нм слой SiO, предотвращающий самопроизвольное окисление 110 нм слоя Si.
В качестве информационного оптического сигнала 4 используется излучение с длиной волны 1550 нм. В качестве управляющего оптического сигнала 5 используется излучение с длиной волны 650 нм.
2
2
5
2
2
5
k
k
k
k
В данном примере в качестве материала с фазовым переходом используется GeSbTe. Слой 3 из материала с фазовым переходом при воздействии импульсов управляющего оптического сигнала 5 принимает два устойчивых фазовых состояния: аморфное и кристаллическое. Материалу GeSbTe с данными фазовыми состояниями соответствуют следующие значения комплексного показателя преломления для излучений с длинами волн: для 1550 нм в аморфном фазовом состоянии n=3,8+0,06i, в кристаллическом фазовом состоянии n=6,3+l,2i; для 650 нм в аморфном фазовом состоянии n=4+l,4i, в кристаллическом фазовом состоянии n=4+3,8i.
Воздействие импульса управляющего оптического сигнала 5 с длиной волны излучения 650 нм приводит к поглощению излучения слоем 3 из материала с фазовым переходом, что при определенных значениях интенсивности и длительности импульса приводит к фазовому переходу от аморфного к кристаллическому фазовому состоянию или наоборот.
k
2
2
k
k
Значения комплексного показателя преломления n для излучения с длиной волны 1550 нм равны значениям: для оптического проводника 1 из SiO и слоев модулирующего элемента 2 из SiO n=1,44, для слоев модулирующего элемента 3 из Si n=3,47.
k
k
Расчет отражательной и поглощательной способностей модулирующего элемента 2 при изменении комплексного показателя преломления n(n=n+i⋅к, где n - показатель преломления, k - коэффициент экстинкции) слоя 3 из материала с фазовым переходом от аморфного состояния к кристаллическому в соответствии с рекуррентными выражениями Френеля-Эйри для многослойной структуры для нормально падающего излучения показал следующие результаты.
k
В аморфном состоянии при n=3,8+0,06i, отражательная способность равна 80%, а поглощательная способность 3%, что соответствует отражению информационного оптического сигнала 4 от модулирующего элемента 2 и соответствует логической «1». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 80% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 17% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.
k
В кристаллическом состоянии при n=6,3+l,2i, отражательная способность равна 3%, а поглощательная способность 80%, что соответствует поглощению информационного оптического сигнала 4 модулирующим элементом и соответствует логическому «0». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 3% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 17% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.
2
2
2
2
2
5
2
2
2
Добавление большего количества дополнительных слоев в структуру модулирующего элемента позволяет добиться еще более лучшей степени модуляции информационного оптического сигнала. В качестве примера также можно рассмотреть фотонный модулятор, в котором оптический проводник 1 состоит из кварцевого стекла SiO, модулирующий элемент 2 состоит из десяти слоев: 80 нм Si, 100 нм SiO, 150 нм Si, 50 нм SiO, 30 нм слой 3 из материала GeSbTe с фазовым переходом, 190 нм SiO, 140 нм Si, 180 нм SiO, 120 нм Si, 20 нм SiO.
k
В аморфном состоянии при n=3,8+0,06i, отражательная способность такого модулирующего элемента равна 95%, а поглощательная способность 1%, что соответствует отражению информационного оптического сигнала 4 от модулирующего элемента 2 и соответствует логической «1». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 95% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 4% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.
k
В кристаллическом состоянии при n=6,3+l,2i, отражательная способность такого модулирующего элемента равна 1%, а поглощательная способность 95%, что соответствует поглощению информационного оптического сигнала 4 модулирующим элементом и соответствует логическому «0». Соответственно интенсивность преобразованного информационного оптического сигнала 6 составляет 1% от исходного информационного оптического сигнала 4. Оставшиеся 4% являются оптическими потерями и пропускаются слоем 3 из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик.
Как видно, из приведенных оптических характеристик отражательной и пропускательной способностей увеличение количества слоев модулирующего элемента позволяет добиться меньших оптических потерь, что делает возможным решить поставленную техническую задачу повышения надежности передачи информации.
Настоящая полезная модель промышленно применима, т.к. может быть использована при создании оптических модулирующих устройств и реализована с использованием тонкопленочных, планарных и оптоволоконных технологий.
Источники информации:
1. Международный патент WO 2017/046590.
2. Патент Китая CN 100437321 - прототип.