ОПТИЧЕСКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ "НЕ"

Полезная модель относится к области оптических логических элементов.
В качестве ближайшего аналога выбран оптический Y-образный разветвитель (Патент Украины № 39967 МПК (2009) G02B6/00), содержащий два одномодовых оптических волокна, биконический переход.
Недостатком аналога является невозможность его использования в качестве логического элемента.
В основу полезной модели поставлена задача создания оптического логического элемента «НЕ» для реализации двухуровневых логических схем, в которых логическому нулю соответствует сигнал с низшей частотой, логической единице соответствует сигнал с высшей частотой.
(3 \
г
со
со 2,
щ
со
,
2
Поставленная задача решается тем, что оптический логический элемент «НЕ», включающий разветвитель из двух одномодовых оптических волокон, согласно полезной модели, дополнительно содержит усеченную треугольную оптическую призму, расположенную по ходу оптического пучка, плоские диэлектрические волноводы, расположенные под углами преломления и /? для оптических сигналов с частотами 1 и нелинейные оптические резонаторы, расположенные по ходу пучков с частотами и а разветвитель расположенный по ходу излучения после нелинейных
оптических резонаторов. Устройство обеспечивает трансформацию сигнала, соответствующего логической единице, в оптическом логическом элементе «НЕ» в сигнал, соответствующий логическому нулю, и наоборот.
А,
fii
со \л со 2,
со
со
,
х
г
На чертеже приведена схема оптического логического элемента «НЕ»: плоский диэлектрический волновод для ввода сигнала (1) усеченная треугольная оптическая призма (2), расположенная по ходу оптического пучка, плоские диэлектрические волноводы (3, 4), расположенные под углами преломления /?i и для оптических сигналов с частотами нелинейные оптические резонаторы (5, 6), расположенные по ходу пучков с частотами  и Y-образный разветвитель (7) для вывода оптического сигнала, расположенный после нелинейных оптических резонаторов.
Принцип действия предлагаемого оптического логического элемента «НЕ» основан на нелинейном взаимодействии четырех оптических волн в нелинейном оптическом
со
,
а>
со
> а>
.
х
2
х
2
резонаторе. Частота сигнала представляющего логическую единицу, выше частоты сигнала , представляющего логический ноль,
Оптический логический элемент работает следующим образом.
А
со
а>
/3
со
со
2со
щ
со
2со
= со
+ со
, 2к
= к
+к
со
со
х
2
2
х
2
р
2
Р
х
2
Р
х
2
2
х
Входной сигнал поступает во входной волновод 1, который прикреплен, например, оптическим клеем к входной грани призмы 2. В призме 2, если частота сигнала равна , оптический пучок отклоняется на больший угол Д, и проходит через волновод 4; если частота сигнала равна , оптический пучок отклоняется на меньший угол  и проходит через волновод 3. Сигнал с частотой  попадает в нелинейный резонатор 6, сигнал с частотой  попадает в нелинейный резонатор 5. В нелинейных резонаторах 5 и 6 в результате четырехволнового смешения двух волн накачки с суммарной частотой и волны сигнала с частотой или  при выполнении условий фазового синхронизма  генерируется резонансная волна  или , соответственно. К нелинейным резонаторам 5 и 6, например оптическим клеем прикреплены входные волноводы Y-образного разветвителя, через выходной волновод которого выводится соответствующий оптический сигнал Z.
Физический механизм взаимодействия четырех электромагнитных волн в нелинейном резонаторе состоит в следующем. Диэлектрический плоский волновод с полупрозрачными отражающими торцами представляет собой одномерный диэлектрический резонатор типа Фабри-Перо (фиг. 1). Через одно из зеркал резонатора оптические потоки вводятся, а через другое зеркало поток выводится.
со
со
со
.
Ап%
2
х
р
х
3
На входное зеркало резонатора подается волна сигнала с частотой  или , и две волны накачки с частотой Диэлектрическая проницаемость среды резонатора может быть представлена в виде s = 1 +  (со) + 4л%1, где %i (<в) - линейная восприимчивость
среды, Хз " кубичная восприимчивость среды, I ~ E    - интенсивность электромагнитного
Ej
e
(t)exp(-ico
t + ikjZ)
j =
Р -
j
j
поля.    Полагаем,    что    в    резонаторе    возбуждено    электромагнитное    поле    вида = , где 1,2,индекс волны распространяющейся вдоль оси z
e
(t)
l2
резонатора. Укороченные уравнения для медленно меняющихся амплитуд волн имеют вид
<i>de</i><sub>x</sub><i> / dt = y</i><sub>x</sub><i>e</i><sup>2</sup><sub>P</sub><i>e</i><sub>2</sub><i>,   de</i><sub>2</sub><i> / dt = у</i><sub>2</sub><i>е</i><sup>2</sup><sub>р</sub><i>е</i><sub>х</sub><i>,   е</i><sup>2</sup><sub>р</sub> « <i>const</i>,
(1)
Y\
const -
е
-
со
Р
х
где 2 = коэффициенты, зависящие от параметров среды и волн, амплитуда волны накачки. После прохождения нелинейного резонатора 5 сигнал с частотой
со
со
со
2
2
х
трансформируется в сигнал с частотой , а сигнал с частотой  после прохождения нелинейного резонатора 6 трансформируется в сигнал с частотой .
12
-ехруе^у^).
Амплитуды сигналов после прохода через резонаторы пропорциональны интенсивности      волн      накачки      еТаким      образом,      сигнал,
соответствующий логической единице, в полностью оптическом логическом элементе «НЕ» трансформируется в сигнал, соответствующий логическому нулю, и наоборот (Таблица 1).
SiO
\
Л
2
2
Оптический логический элемент «НЕ» может быть реализован с помощью волноводов из плавленого кварца , оптической призмы из кристаллического кварца, нелинейных оптических резонаторов из органического материала полиацетилен паратолуол сульфоната для оптических сигналов с длинами волн = 0.6 мкм и  = 1.4
со
,а>
2со
J3 \
(5 г
со \
со г.
х
2
р
15
1
15
1
15
1
мкм. Тогда частоты волн для сигналов будут равны  = 3.14-10с" = 1.34-10с", а суммарная частота волн накачки выбрана в видимом диапазоне  =4.48-10 с^. Плоские диэлектрические волноводы расположены под углами преломления и для оптических сигналов с частотами и
со
со
х
2
15
15
Углы Д =4Г и /?, =40' для оптических сигналов с частотами  =3.14-10с~' и  =1.34-10с-'.
Устройство обеспечивает трансформацию сигнала, соответствующего логической единице, в оптическом логическом элементе «НЕ» в сигнал, соответствующий логическому нулю, и наоборот.
Оптический логический элемент «НЕ»
А
Z
1
0
0
1