МИНИАТЮРНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА

Полезная модель относится к оптическим устройствам, в частности к волоконным элементам управления оптическим излучением, и может применяться в полностью оптических коммутационных схемах, а также для построения оптических логических схем.
При использовании телекоммуникационной техники бывают ситуации, когда в коммутационных устройствах нежелательно присутствие электрических сигналов, например, если техника используется во взрыво- и пожароопасных местах (в т.ч. в угольных шахтах) или под водой. Предлагаемый волоконный оптический затвор вообще не использует электрическое напряжение (ни для питания, ни для управления устройством), поэтому будет наиболее полезен именно в таких случаях, однако не исключается возможность его применения при решении множества других прикладных задач.
Оптический затвор представляет собой устройство, которое пропускает или не пропускает через себя оптическое излучение в зависимости от управляющего сигнала. Существует несколько основных типов оптических затворов - механические (механическое воздействие в качестве управляющего сигнала), электрооптические (электрический управляющий сигнал) и магнитооптические (магнитный управляющий сигнал) [Мустель Б.Р., Парыгин В.Н. «Методы модуляции и сканирования света», М., 1970].
Известным материалом для применения в устройствах, управляющих оптическим излучением, является жидкий кристалл (ЖК). Это оптически прозрачная среда в ближнем диапазоне инфракрасного излучения (0,74-2,5 мкм), наиболее широко используемом в лазерной технике и телекоммуникационных технологиях. Оптические свойства ЖК в этом диапазоне (характеристики светопропускания) определяются, главным образом, его ориентационной структурой. Ориентационная структура ЖК описывается зависимостью директора (вектора, выражающего преимущественную ориентацию длинных осей молекул ЖК) от пространственных координат. Директор может быть легко изменен как локально, так и во всем объеме жидкого кристалла при воздействии внешнего электрического поля или под действием светового поля (переориентация молекул жидкого кристалла под действием внешних полей именуется эффектом Фредерикса) [Л.М. Блинов. «Жидкие кристаллы: Структура и свойства». М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. - 480 с.].
Известны устройства на основе ЖК, использующиеся для управления оптическим излучением. Обычно они представляют собой прозрачную ячейку, наполненную нематическим жидким кристаллом, к которой подводятся электроды для подачи электрического напряжения [Л.П. Амосова, Е.А. Коншина, Д.С. Костомаров, М.А. Федоров. «Электроуправляемое двулучепреломление в нематических жидких кристаллах», ИТМО, Санкт-Петербург, 2010, 64 стр.]. Прилагая определенным образом электрическое поле к ячейке, можно изменять ориентацию молекул ЖК, тем самым изменяя характеристики пропускания устройства в целом. На таком эффекте можно построить и оптические логические элементы [Brian S. Wherrett, Yuk Т. Chow, David С.Hutchings, Ashley D. Lloyd, Istvan Janossy "All-optical logic elements for optical processing". Proceedings of SPIE, Volume 0800, Novel optoelectronic devices, 161, September 22, 1987, p. 161-168].
Известен оптический затвор LCC1620, предлагаемый фирмой «THORLABS» [http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8166]. Он представляет собой прозрачную ячейку с электродами, наполненную жидким кристаллом, расположенную между двух поляризаторов оптического излучения. Один из поляризаторов задает поляризацию излучению, которое направляется в ячейку. Под действием электрического поля молекулы жидкого кристалла в ячейке изменяют ориентацию. Управление электрическим полем, приложенным к ячейке, позволяет изменять характеристику двулучепреломления жидкого кристалла и, тем самым, модифицировать состояние поляризации проходящего через ячейку излучения с тем, чтобы излучение прошло через второй поляризатор либо с минимальными, либо с максимальными потерями.
Этот оптический затвор принят за прототип полезной модели.
Недостатком прототипа является необходимость подачи электрического управляющего сигнала, что ограничивает возможность его применения в полностью оптических схемах логики или в сложных условиях, где нежелательно или невозможно использовать электрические сигналы и схемы. Также он имеет большие размеры (60 мм × 60 мм × 27 мм).
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания управляемого оптического затвора, работающего без использования каких-либо электрических сигналов.
Также предлагаемая полезная модель решает задачу упрощения конструкции и уменьшения размеров устройства.
Поставленная задача решается тем, что предлагается миниатюрный волоконный оптический затвор, включающий полый корпус, содержащий жидкий кристалл, в который вводится лазерное излучение, причем корпус выполнен в форме полой гильзы, с одного конца которой установлено входное одномодовое оптическое волокно, а с другого - выходное одномодовое оптическое волокно, расположенные соосно между собой и примыкающие соответствующими их концами к жидкому кристаллу. Внутренний диаметр полой гильзы целесообразно выполнить равным внешнему диаметру оптического волокна. В качестве кристалла целесообразно использовать нематический жидкий кристалл. Входное и выходное оптические волокна могут быть идентичны.
00
00
Сущность предлагаемого решения состоит в использовании эффекта светоиндуцированной переориентации молекул жидкого кристалла (эффекта Фредерикса), приводящей к возникновению самоколлимирующегося пучка при распространении лазерного излучения в объеме жидкого кристалла от одного оптического волокна до другого, с целью реализации функции оптического затвора (переключаемого коэффициента пропускания) в миниатюрном волоконно-оптическом устройстве. Если лазерный луч направить в жидкий кристалл, то в общем случае он будет испытывать дифракционное рассеяние. Также возможно рассеяние на сильных ориентационных неоднородностях (дисклинациях) в структуре жидкого кристалла. Это будет приводить к угловой расходимости луча, которая может значительно превышать дифракционную расходимость в открытом пространстве, и к потере мощности излучения в направлении распространения. Однако под действием достаточного сильного светового поля молекулы жидкого кристалла переориентируются, стремясь стать сонаправленными с вектором электрической напряженности светового поля. При определенной пространственной структуре электромагнитного поля световой волны (близкой к идеальному Гауссову пучку, ТЕМ-мода) это может приводить к такому локальному изменению эффективного показателя преломления жидкого кристалла, что будет наблюдаться эффект самофокусировки или даже самоколлимирования светового (лазерного) пучка, распространяющегося в жидком кристалле. Такой эффект легко достигается и хорошо изучен для случая введения лазерного излучения в жидкий кристалл с помощью одномодового оптического волокна, которое сохраняет структуру ТЕМ-моды. Если в результате переориентации молекул жидкого кристалла в поле бегущей световой волны дифракционная расходимость светового пучка точно компенсируется за счет эффекта самофокусировки, то излучение начинает распространяться в жидком кристалле в виде самоограниченного (self-confined) или самоколлимированного пучка. Такой пучок может поддерживаться и распространяться без существенных потерь на расстояния, на несколько порядков превышающие его диаметр [М. Peccianti, G. Assanto, "Nematicons", Phys. Rep., vol. 516, pp. 147-208, July 2012]. Таким образом, если апертура удаленного приемника излучения не превышает исходный диаметр пучка, вводимого в жидкий кристалл, то вся мощность излучения может быть собрана приемником только в случае формирования самоограниченного пучка. Такой пучок возникнет в жидком кристалле только при достижении определенной плотности мощности излучения, когда локальная напряженность поля световой волны достигнет определенного порогового значения, достаточного для переориентации молекул жидкого кристалла. При уменьшении напряженности поля световой волны (путем уменьшения мощности излучения) до значений ниже порогового светоиндуцированная ориентационная структура исчезнет - молекулы переориентируются в исходный порядок под действием упругих сил. На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого оптического затвора, где
1 - полая цилиндрическая гильза из твердого материала (металл, пластмасса),
2 - входное одномодовое оптическое волокно,
3 - выходное одномодовое оптическое волокно,
4 - жидкий кристалл.
Внутренний диаметр полой гильзы 1 равен внешнему диаметру одномодовых оптических волокон 2 и 3; таким образом, оптические волокна плотно вставляются в гильзу. С одной стороны в полую гильзу 1 вставляется входное одномодовое оптическое волокно 2, по которому узким пучком подается входной оптический сигнал. Оно соосно расположено с вставленным в полую гильзу 1 с другой стороны выходным одномодовым оптическим волокном 3, по которому проходит выходной сигнал. В качестве оптического сигнала используется лазерное излучение. Пространство внутри полой гильзы 1 между одномодовыми оптическими волокнами 2 и 3 заполнено жидким кристаллом 4.
Предлагаемый волоконный оптический затвор может работать в двух вариантах.
Вариант 1. На вход затвора по входному одномодовому оптическому волокну 2 поступает входной оптический сигнал. Если его мощность меньше порогового значения Р1, то оптическое излучение рассеивается на молекулах жидкого кристалла 4 и не доходит до выходного одномодового оптического волокна 3. В этом случае затвор закрыт. При повышении мощности входного сигнала выше порогового значения Р1 молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются под действием оптического поля, стремясь стать сонаправленными с вектором электрической напряженности светового поля. Это приведет к эффекту самоколлимирования лазерного пучка так, что излучение пройдет через жидкий кристалл 4 до выходного одномодового оптического волокна 3 практически без потерь. В этом случае затвор открыт. При уменьшении мощности входного оптического сигнала ниже порогового значения Р1 молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются в исходный порядок под действием упругих сил, и затвор становится закрыт для прохождения оптического излучения.
Вариант 2. На вход затвора, во входное одномодовое оптическое волокно 2 поступают два оптических излучения: сигнальное, которое должно пройти или не пройти через затвор, и управляющее, которое управляет пропусканием затвора. Эти два излучения могут отличаться по длине волны. Мощность сигнального излучения не превышает пороговое значение Р1, и само по себе оно через затвор пройти не может из-за сильного рассеяния на молекулах жидкого кристалла 4. В этом случае затвор закрыт. Включение управляющего излучения или повышение его мощности выше порогового значения Р1 приводит к тому, что молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются под действием оптического поля, стремясь стать сонаправленными с вектором электрической напряженности светового поля. Это приведет к эффекту самоколлимирования не только управляющего, но и сигнального оптического излучения так, что сигнальное излучение пройдет через жидкий кристалл 4 до выходного одномодового оптического волокна 3 практически без потерь. В этом случае затвор открыт. При уменьшении мощности управляющего излучения ниже порогового значения Р1 молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются в исходный порядок под действием упругих сил, и затвор становится закрыт для прохождения сигнального оптического излучения.
При практической реализации волоконного оптического затвора на жидком кристалле два идентичных одномодовых оптических волокна были соосно вставлены в полую цилиндрическую гильзу, наполненную нематическим жидким кристаллом. Расстояние между торцами волокна можно было прецизионно изменять от 10 до 100 мкм. В качестве источника лазерного излучения использовался лазерный диод с волоконным выходом (длина волны 1480 нм, перестройка мощности от единиц до 400 мВт). Эксперименты показали, что при плавном повышении мощности входного сигнала и достижении определенного порогового ее значения происходит резкий скачок в пропускании такого устройства - от единиц сразу до 90%.
Таким образом, предлагаемый оптический затвор, в отличие от известных устройств, работает без использования каких-либо электрических сигналов (т.е. он вообще не использует электрическое напряжение ни для питания, ни для управления); в качестве управляющего сигнала выступает само оптическое излучение. Волоконное исполнение предлагаемой полезной модели приводит к упрощению конструкции и уменьшению ее размеров (по сравнению с любыми неволоконными оптическими затворами), т.к. она не содержит никаких дополнительных элементов в виде поляризаторов и электродов для приложения электрического поля к жидкому кристаллу. Для обеспечения функции открывания/закрывания затвора используется эффект самоколлимирования лазерного излучения при достижении им определенной мощности вместо изменения характеристик двулучепреломления кристалла путем приложения электрического поля к ячейке.