Интегральный перестраиваемый излучатель оптического вихревого пучка
INTEGRAL TUNABLE EMITTER OF OPTICAL VORTEX BEAM

Изобретение относится к лазерной технике, системам связи и передачи информации и может быть использовано в радиофотонных и оптических системах связи в качестве (де)мультиплексора или (де)модулятора для систем с пространственным уплотнением каналов. Также устройство может найти применение в области сенсорных систем, в которых используется детектирование орбитального углового момента.
Известно устройство для формирования двухлепестковых вихревых световых полей (патент RU2680728C1, МПК G02F1/133, опубл. 26.02.2019), содержащее: первую прозрачную подложку с нанесенными на нее прозрачным высокоомным покрытием и низкоомными непрозрачными покрытиями, соединенными с высокоомным прозрачным покрытием на противоположных краях первой прозрачной подложки, с формированием двух контактных электродов так, что обращенные друг к другу кромки этих электродов параллельны, при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; вторую прозрачную подложку с таким же прозрачным высокоомным покрытием и такими же контактными электродами, причем прозрачное высокоомное покрытие и контактные электроды разделены посередине перпендикулярно обращенным друг к другу кромкам этих контактных электродов с образованием непроводящей прозрачной полосы и четырех контактных электродов, при этом на высокоомное прозрачное покрытие и контактные электроды нанесено ориентирующее покрытие; слой нематического жидкого кристалла заданной толщины, размещенный между первой и второй прозрачными подложками, расположенными обращенными друг к другу сторонами с ориентирующими покрытиями так, что непроводящая прозрачная полоса на второй прозрачной подложке параллельна кромкам контактных электродов на первой прозрачной подложке; при этом контактные электроды на обеих прозрачных подложках предназначены для подачи на них переменных потенциалов для обеспечения возможности формировать между высокоомными покрытиями на разных прозрачных подложках распределение напряжения с эквипотенциальными линиями в виде концентрических окружностей с заданным сдвигом центров этих окружностей и формировать скачок в профиле фазовой задержки слоя нематического жидкого кристалла относительно непрозрачной полосы, чтобы обеспечить формирование вихревых двухлепестковых световых полей с вращением распределения интенсивности при их распространении.
К недостаткам данного устройства можно отнести высокое сопротивление управляющих контактов и их большое количество, что делает сложным его применение в многоканальных оптических приёмопередатчиках из-за необходимости согласования сопротивлений отдельных элементов и недостатка управляющих контактов в форматах приемопередатчиков SFP и CFP.
Известно устройство для получения скалярного вихревого пучка (патент RU2648975C2, МПК G02B5/30, опубл. 28.03.2018). В состав устройства входят когерентный источник линейно поляризационного излучения, делитель излучения на N каналов равной мощности, связанных с N оптическими фазосдвигающими элементами, регулирующими фазу оптической волны, каждый из N каналов имеет на выходе коллиматор, все N каналов располагаются равномерно по окружностям и настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, и формируют синтезированный пучок, часть излучения которого отклоняется с помощью первой светоделительной пластины, и отличается тем, что имеет вторую светоделительную пластину, делящую пучки на 2 равные части, и содержит две цепи управления, работающие попеременно, первая из которых содержит фотодетектор, снабженный точечной диафрагмой, и первый контроллер для приведения отдельных пучков в состояние с одинаковой фазой, а вторая цепь включает второй контроллер для формирования фазовых сдвигов, задающих величину орбитального углового момента, и фотодетектор, снабженный диафрагмой с перекрытой центральной зоной, для определения момента времени для передачи управления первому контролеру.
Основным недостатком данного устройства является применение элементов дискретной оптики для формирования вихревого пучка, что не позволяет реализовывать компактные приемопередающие устройства с пространственным разделением каналов, совместимые с существующими телекоммуникационными устройствами, поддерживающими форматы приемопередатчиков SFP и CFP. Соответственно, затруднено промышленное применение данного устройства в волоконно-оптических линиях связи.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка компактного интегрального излучателя оптического вихревого пучка, порядок или длина волны которого могут быть изменены в реальном времени, и который способен принимать оптические вихревые пучки от других излучателей.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается интегральным перестраиваемым излучателем оптического вихревого пучка, содержащим прямой оптический волновод, микрокольцевой резонатор радиусом 30 мкм с глухими цилиндрическими отверстиями, обеспечивающими периодическое изменение показателя преломления и возбуждение мод шепчущей галереи, переносящих орбитальный угловой момент, и встроенным полупроводниковым диодом, а также управляющие электроды, при этом прямой оптический волновод расположен в непосредственной близости от микрокольцевого резонатора таким образом, чтобы часть световой энергии переходила в него.
Преимуществами заявляемого устройства являются компактность (радиус микрокольцевого резонатора около 30 мкм), малое энергопотребление (менее 1 мВт для изменения порядка излучаемого вихревого пучка) и возможность применения как в передающей, так и в приемной части оптического приемопередатчика. Следует отметить, что при радиусе микрокольцевого резонатора менее 25 мкм заявленный технический результат не может быть достигнут, так как область дисперсии такого резонатора превышает возможности перестройки резонансной длины волны с использованием электрооптического эффекта.
Сущность устройства поясняется чертежом, на котором представлена конструкция интегрального излучателя: вид сверху и сечение А-А.
Интегральный перестраиваемый излучатель оптического вихревого пучка содержит прямой оптический волновод 1, микрокольцевой резонатор 2 с глухими цилиндрическими отверстиями 3 и встроенным полупроводниковым диодом 4, а также управляющие электроды 5. Сечение А-А показывает пространственное распределение свободных носителей заряда, где символы Р и N соответствуют распределениям дырок и электронов, соответственно. Количество символов «+» соответствует степени легирования - от максимальной концентрации носителей зарядов (2 знака «+») до минимальной (отсутствие дополнительных знаков).
Работа устройства осуществляется следующим образом: основная мода оптического излучения из прямого оптического волновода 1 переходит в микрокольцевой резонатор 2 с периодическим изменением показателя преломления за счет глухих цилиндрических отверстий 3, благодаря которому возбуждаются моды шепчущей галереи (МШГ), переносящие орбитальный угловой момент (ОУМ), значение которого зависит от количествацилиндрических отверстий, радиуса микрокольцевого резонатора и его эффективного показателя преломления. Возбуждаемые МШГ, в свою очередь, интерферируют с образованием оптического вихревого пучка, имеющего то же значение ОУМ. Далее, при приложении ненулевого отрицательного напряжения к встроенному полупроводниковому диоду 4, благодаря эффекту дисперсии плазмы, происходит изменение эффективного показателя преломления резонатора, что приводит к сдвигу его резонансных характеристик и изменению значения ОУМ возбуждаемых МШГ и, соответственно, к изменению порядка излучаемого оптического вихревого пучка. За счет применения полупроводникового диода время переключения с одного порядка излучаемого вихревого пучка на другой может составлять менее 1 наносекунды. При падении оптического вихревого пучка, переносящего ОУМ, на микрокольцевой резонатор 2 в сечении прямого оптического волновода 1 фиксируется интенсивность излучения, пропорциональная интенсивности падающего пучка, то есть происходит его преобразование в основную моду оптического волновода.
Таким образом, благодаря заявленному устройству становится возможным создание компактных оптических приемопередатчиков, излучающих и принимающих оптические вихревые пучки, порядок которых может быть изменен в реальном времени.