ФОТОННАЯ КОММУТАЦИОННАЯ ЯЧЕЙКА НА ОСНОВЕ МЕТАМАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области связи, оптической коммутации и передачи сигналов, в частности, к фотонным коммутационным ячейкам.
Известно устройство, в виде двумерного фотонного кристалла, который может изменять во времени пространственное распределение светового потока за счет линейных эффектов (термооптического, электрооптического, механического и прочих эффектов) (патент US №6674949, 2004).
Недостатком устройства является наличие только двух входов и двух выходов, поэтому использование такой ячейки коммутации для построения коммутационных систем усложняет общую схему построения коммутатора. Кроме этого для реальных материалов пространственное разнесение лучей, на выходах является незначительным при технически приемлемых толщинах слоев, что затрудняет практическое использование такого метода коммутации, так как увеличивает перекрестные помехи в каналах и ошибки коммутации.
Прототип не выявлен.
Техническая задача - создание устройства, позволяющего уменьшить взаимное влияние каналов и перекрестные помехи за счет увеличения пространственного разнесения выходов коммутационной ячейки до размеров двойного диаметра оптоволокна.
Технический результат - повышение точности, достоверности и скорости передачи информации путем усовершенствования конструкции фотонной коммутационной ячейки.
Он достигается тем, что в устройстве, содержащем оптический трансформатор, многослойную диэлектрическую селективную структуру, буферное устройство, амплитудный ограничитель, частотный детектор, формирователь управляющего сигнала, фильтр Брэгга, многослойная диэлектрическая селективная структура, работающая на прохождение световой волны, а не на отражение, выполнена на основе фотонного кристалла, включающего слой оптически прозрачного ферромагнетика, на который нанесен слой из комбинации областей метаматериала и обычного диэлектрика, на который в свою очередь нанесен слой из оптически прозрачного ферромагнетика, на который нанесен слой из комбинации метаматериала и обычного диэлектрика, с обеих сторон на структуру нанесены согласующие слои на один вход и четыре выхода фотонного кристалла, уменьшающие отражение в местах соединений с внешними цепями.
Использование в качестве многослойной диэлектрической структуры фотонного кристалла, включающего слои из комбинации областей метаматериала и обычного диэлектрика, которые имеют различные знаки углов преломления, позволяет увеличить относительное пространственное смещение лучей.
Предлагаемое устройство схематично изображено на чертеже (фиг. 1 - схематическое изображение фотонной коммутационной ячейки, фиг. 2 - многослойная диэлектрическая селективная структура с пространственно разнесенными входами и выходами, вид в разрезе, фиг. 3 и фиг. 4 - графики амплитудно-частотных характеристик четырех каналов, фиг. 5 - график зависимости материальных параметров отклоняющей структуры (магнитная проницаемость μ) от величины управляющего магнитного поля.
Устройство имеет элемент коммутации 1 и буферное устройство 2, содержащее четыре линии задержки 3-6 на оптически прозрачном материале, расположенные на четырех входах 7-10 фотонной коммутационной ячейки, выходы линий задержек 3-6 соединены с входами оптического трансформатора 11, выход которого соединен с входом амплитудного ограничителя 12, выход которого соединен с входом фильтра Брэгга 13, установленного на входе в элемент коммутации 1; фильтр Брэгга 13 выполнен на основе многослойной изотропной структуры с низкой частотной дисперсией, выход которого соединен со входом частотного детектора 14, установленного в элементе коммутации, выход которого соединен со входом формирователя управляющего сигнала 15, установленного в элементе коммутации, выход которого соединен со входом многослойной диэлектрической селективной структуры 16, выполненной на основе фотонного кристалла, имеющей четыре пространственно разнесенных выхода 17-20, вход которого соединен с выходом фильтром Брэгга 13, при этом многослойная диэлектрическая структура 16 состоит из шести слоев, первый согласующий слой 21 нанесен на слой ферромагнетика 22, нанесенный на слой, состоящий из метаматериала 23 и обычного диэлектрика 24, нанесенный поверх слоя ферромагнетика 25, нанесенный на слой, состоящий из областей метаматерила 26, обычного диэлектрика 27, метаматериала 28 и обычного диэлектрика 29, на слой 26-27-28-29 нанесен согласующий слой 34. Управление направлением прохождения информационного сигнала в данном случае осуществляется магнитным полем, создаваемым внешними приложенным к соленоидам 30, 31, 32, 33 напряжениями, комбинация напряжений, приложенных к слоям ферромагнетика 22 и 25 задает следующие направления информационного луча 35-37-39-43, 35-37-40-44, 36-38-41-45, 36-38-42-46 к четырем выходам 17-18-19-20, соответственно. Места ввода и вывода согласующих слоев покрываются просветляющими четвертьволновыми пленками 47.
1
1
2
2
1
2
Устройство работает следующим образом. На один из входов фотонной коммутационной ячейки 7-10 поступает оптический пакет, состоящий из двух сигналов, разделенных по времени на различных длинах волн: информационный сигнал на длине волны λi и управляющий сигнал на длине волны λс. Информационный сигнал на длине λi несет полезную информацию, а управляющий сигнал на длине волны λс используется для настройки ячейки. Управляющая информация при этом заложена в одной из четырех длин волн сигнала. Сигналы со входов ячейки поступают на одну из линий задержки 3-6, что позволяет исключить одновременное поступление сигналов на один и тот же вход оптической ячейки. С выходов линий задержки сигнал поступает на оптический трансформатор 11, который производит пространственное совмещение световых лучей для их дальнейшей обработки. С выхода трансформатора 11 оптический сигнал поступает на амплитудный ограничитель 12, который ограничивает сигнал по амплитуде для исключения нелинейных искажений. С выхода амплитудного ограничителя 12 сигнал поступает на установленный в элементе коммутации 1 фильтр Брэгга 13 на основе неоднородного изотропного материала с низкой частотной дисперсией [Справочник технолога-оптика / Под ред. М.А. Окатова. - СПб: Политехника, 2004. - 679 с], который осуществляет разделение информационного и управляющего сигнала. Слабая частотная дисперсия предотвращает возможное отклонение луча управляющего сигнала при изменении его длины волны. Отраженный информационный сигнал поступает на согласующий слой 21 отклоняющей системы 16, далее на слой ферромагнетика 22, который при наличии напряжения U на соленоидах 30, 31 имеет коэффициент преломления n вследствие нелинейного эффекта Керра и луч проходит по направлению 35, а при наличии напряжения U на 30, 31 - он имеет коэффициент преломления n и луч проходит по направлению 36. Нелинейная зависимость коэффициента преломления от напряженности магнитного поля позволяет увеличить пространственное разнесение лучей. Однако, для реальных материалов разнесение лучей 35 и 36 все же является незначительным при технически приемлемых толщинах слоя, что ограничивает практическое использование такого метода коммутации. В первую очередь ограничение связано с диаметром выходного оптоволокна (диаметр сердцевины одномодового волокна 8-10 мкм) и с возможностью проникновения сигнала в соседний канал. Для исключения этих недостатков можно увеличивать толщину слоя. Однако это приведет к увеличению потерь в нем, а также увеличению габаритных размеров и веса устройства. В данном устройстве увеличение пространственного разнесения происходит за счет использования двухсегментного второго слоя, состоящего из метаматериала 23 и обычного диэлектрика 24. Ход лучей в метаматериале и обычном диэлектрике показан, соответственно, лучами 37 и 38. При этом, различные знаки углов преломления позволяют увеличить относительное пространственное смещение лучей. Следующий слой 25 представляет собой ферромагнетик и обеспечивает дополнительное разделение лучей в зависимости от величины управляющего сигнала U или U на соленоидах 32, 33. Таким образом, в зависимости от комбинации напряжений на соленоидах 30-33 возможны четыре различных пути прохождения сигнала в слое 25: 39, 40, 41, 42. Четвертый слой, состоящий из сегментов 26, 27, 28, 29 обеспечивает дополнительное пространственное разнесение информационных лучей, вышедших из третьего слоя 25. Пути прохождения лучей в этом слое: 43, 44, 45, 46. Согласующие слои 21 и 34 предназначены для уменьшения отражения в местах согласования ячейки с оптоволокном. Для улучшения согласования ввод и вывод информационного сигнала осуществляется перпендикулярно поверхности согласующих слоев. В результате они имеют пилообразную форму (фиг. 2).
На фиг. 3 показана амплитудно-частотная характеристика 17, 18 каналов, рабочим участком является интервал максимального коэффициента прохождения от 1545,7 нм до 1559,3 нм. Коэффициент прохождения в рабочем диапазоне длин волн составляет не менее -5 дБ, коэффициент неоднородности характеристики в диапазоне волн 1549 нм до 1556 нм не более 5%. Это обеспечивает низкие потери и искажения сигнала. Кривая 48 соответствует 17 каналу, кривая 49 соответствует 18 каналу.
На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика информационного луча 19,20 каналов, рабочим участком является интервал максимального коэффициента прохождения от 1546,5 нм до 1559,8 нм. Коэффициент прохождения в рабочем диапазоне длин волн составляет не менее -5 дБ, коэффициент неоднородности характеристики в диапазоне волн 1549 нм до 1558 нм не более 6%. Это обеспечивает низкие потери и искажения сигнала. Кривая 50 соответствует 19 каналу, кривая 51 соответствует 20 каналу.
7
7
0
/
На фиг. 5 показана зависимость материальных параметров отклоняющей структуры (магнитной проницаемости μ) от величины управляющего магнитного поля для 17, 18, 19, 20 каналов. Изменение относительной магнитной проницаемости от 10 до 20 при изменении магнитного поля от 7,3⋅10 А/м до 8,2⋅10 А/м приводит к изменению угла отклонения информационного луча на 224 в слое ферромагнетика.
Предлагаемое устройство позволяет повысить точность, достоверность и скорость передачи информации путем уменьшения взаимного влияния каналов и уменьшения перекрестных помех за счет увеличения пространственного разнесения выходов коммутационной ячейки не менее чем 250 мкм, обеспечиваемого использованием в качестве переключающего элемента фотонного кристалла сложной формы на основе метаматериала, ферромагнетика и обычного диэлектрика.