Фотонный делитель

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники и может быть использована при создании полностью информационных оптических систем для управления делением оптической мощности сигналов или их пропусканием, например в волоконно-оптических линиях связи и в системах сети на чипе.
3
4
2
2
5
2
2
5
Известен аналог, приведенный в патенте СССР 1536343 [1]. Он представляет собой переключатель светового потока, содержащий три световода, установленные на основании так, что на одной стороне основания закреплены два световода, а на противоположной - третий, причем торцы трех световодов параллельны друг другу, и коммутирующий орган, размещенный между световодами и выполненный в виде прозрачной трубки, заполненной двумя жидкостями, одна из которых ртуть, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности переключения светового потока, коммутирующий орган выполнен в виде прозрачной изогнутой U-образной трубки, а в качестве второй жидкости использовано вещество с удельной теплотой парообразования (2-4)×100 кДж/кг прозрачное в оптическом диапазоне. Переключатель работает следующим образом: световой поток из излучающего световода через коммутирующий орган попадает на первый приемный световод. При определенном уровне светового потока рабочее вещество (вторая жидкость, заполняющая прозрачную изогнутую U-образную трубку) изменяет свое фазовое состояние за счет поглощения части энергии светового потока и перемещает отражающий элемент (ртуть - первая жидкость, заполняющая прозрачную изогнутую U-образную трубку), который переключает световой поток, мощность которого превышает допустимую, на второй приемный световод. Когда уровень мощности светового потока возвращается к нормальному, рабочее вещество за счет охлаждения совершает обратный фазовый переход и переключатель переходит в исходное состояние. Такой подход позволяет выполнять переключение светового потока между двумя проводниками, в том числе выполнять деление мощности оптического сигнала при использовании вещества второй жидкости, заполняющей прозрачную изогнутую U-образную трубку, с необходимыми параметрами коэффициентов отражения, пропускания, поглощения. Однако такой подход обладает недостатками: заполняющие U-образную трубку жидкости подвержены перемещению из-за взаимодействия с гравитационными силами, что приведет к неработоспособности данного устройства при его резких перемещениях, переворачивании; скорость переключения светового потока составляет десятки миллисекунд. Для дальнейшего развития данного подхода необходимо использование твердых материалов коммутирующего органа, например, многослойных структур на основе материалов SiN, GeSbTe, что обеспечит его работу при резких перемещениях и переворачивании, а также использование материалов с фазовым переходом, занимающим меньшее количество времени, например, материала GeSbTe, фазовый переход, в котором занимает порядка сотни наносекунд, что обеспечит более быструю скорость переключения светового потока в сравнении с данным аналогом.
Известен аналог, приведенный в патенте Китая 1993649 [2]. Он представляет собой многослойной элемент для управления электромагнитными лучами. Элемент содержит материал с фазовым переходом в сочетании с диэлектрическим и другими слоями в многослойной оптической структуре. Материал с фазовым переходом, который 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 элемента, который определяет направление распространения выходного луча, создаваемого падающим электромагнитным лучом. В зависимости от структурного состояния элемент 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 луч, а элемент содержит материал с фазовым переходом, расположенный между двумя диэлектрическими материалами и поддерживаемый металлическим слоем. Недостатком конструкции данного аналога является его отражающая конфигурация, из-за металлического слоя, прошедший сквозь элемент луч будет отражен. При этом отраженный от элемента луч также является отраженным. Таким образом, оба луча распространяются строго в одном направлении, их отличие состоит только в том, что они имеют разные значения сдвига фазы волны. В связи с чем, на выходе такой оптической системы необходимо будет также предусмотреть, чтобы эти лучи дополнительно были разделены в зависимости от их значений сдвига фазы волны. Такой подход может быть удобен для модуляции оптических сигналов, но не подходит для деления мощности оптического сигнала.
2
2
5
2
2
5
2
2
5
2
2
5
Аналогом-прототипом полезной модели является решение, приведенное в патенте РФ 208572 [3]. Данное решение представляет из себя фотонный коммутатор, включающий оптические проводники, расположенный между оптическими проводниками модулирующий элемент - многослойная структуру, состоящую, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом, отличающийся тем, что материал с фазовым переходом представляет собой материал с фазовым переходом GeSbTe, который при воздействии управляющего оптического сигнала принимает устойчивое фазовое состояние: аморфное или кристаллическое. Фотонный коммутатор работает следующим образом: модулирующий элемент в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой из материала с фазовым переходом GeSbTe, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, пропускает информационный оптический сигнал из первого во второй оптический проводник или отражает его назад в первый оптический проводник; фазовое состояние слоя из материала с фазовым переходом GeSbTe изменяется управляющим оптическим сигналом. При этом коммутация информационного оптического сигнала достигается за счет изменения пропускательной способности от 85% до 3%, отражательной способности от 0% до 81%, а потери информационного оптического сигнала составляют не более 3%. Недостатком аналога-прототипа является то, что он не способен выполнять деление информационного оптического сигнала на равные части при его пропускании через модулирующий элемент и отражении от него. Кроме того, многослойная структура модулирующего элемента включает слои из Si материала, который является поглощающим для оптического излучения управляющего сигнала в диапазоне от 400 до 650 нм, что требует увеличения мощности излучения управляющего сигнала в этом диапазоне для изменения состояния материала с фазовым переходом GeSbTe и плохо сказывается на энергоэффективности данного устройства.
2
2
5
3
4
3
4
2
2
5
Использование нескольких слоев материала с фазовым переходом GeSbTe, а также использование слоев SiN, входящих в многослойную структуру модулирующего элемента, позволяют скорректировать распространение электромагнитной волны в многослойной структуре и выполнять управление информационным оптическим сигналом в двух режимах: деление информационного оптического сигнала на равные части и его пропускание без отражения. Использование слоев SiN полностью прозрачных для оптического излучения управляющего сигнала в диапазоне от 400 до 650 нм позволяет уменьшить мощность излучения управляющего сигнала в этом диапазоне для изменения состояния материала с фазовым переходом GeSbTe, что позволяет улучшить энергоэффективность данного устройства.
Анализ предшествующего уровня техники и возможностей, которые появляются при комбинировании их в одной системе, позволяет получить новый результат, а именно фотонный делитель - устройство для деления мощности информационного оптического сигнала, которое позволяет изменять пропускательную способность от 97% до 32%, отражательную способность от 0% до 32% и в сравнении с приведенным аналогом-прототипом позволяет делить информационный оптический сигнал при его частичных пропускании и отражении модулирующим элементом на две равные части, а также не считая потерь на поглощение пропускать информационный оптический сигнал без его отражения через модулирующий элемент.
Заявленная полезная модель направлена на решение технической задачи по расширению функциональных возможностей - выполнению деления информационного оптического сигнала модулирующим элементом на две равные части и его пропусканию без отражения через модулирующий элемент, расположенный между оптическими проводниками.
3
4
2
2
3
4
2
2
5
Это достигается тем, что фотонный делитель включает в себя оптические проводники, расположенный между оптическими проводниками модулирующий элемент - многослойная структуру, состоящую из пяти слоев, отличающийся тем, что многослойная структура состоит из чередующихся слоев на основе материалов SiN и GeSbTes, из которых три слоя являются материалом SiN и два слоя являются материалом с фазовым переходом GeSbTe, который при воздействии управляющего оптического сигнала принимает устойчивое фазовое состояние: аморфное или кристаллическое.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
На чертеже фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства. Она содержит
1, 2 - оптические проводники;
3 - модулирующий элемент;
4 - слои из материала Si3N4;
2
2
5 - слои из материала с фазовым переходом GeSbTes;
6 - управляющий оптический сигнал;
7 - информационный оптический сигнал;
8 - преобразованный информационный оптический сигнал при его пропускании модулирующим элементом.
9 - преобразованный информационный оптический сигнал при его делении модулирующим элементом в результате отражения;
10 - преобразованный информационный оптический сигнал при его делении модулирующим элементом в результате пропускания;
Устройство работает следующим образом.
2
2
2
2
Модулирующий элемент 3 в зависимости от фазового состояния, в котором находятся слои 5 из материала с фазовым переходом GeSbTes, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, пропускает информационный оптический сигнал 7 из оптического проводника 1 в 2, преобразуя сигнал 7 в сигнал 8, или делит информационный оптический сигнал 7 на две равные части и таким образом отражает назад в оптический проводник 1, преобразуя сигнал 7 в сигнал 9, и пропускает вперед в оптический проводник 2, преобразуя сигнал 7 в сигнал 10; фазовое состояние слоев из материала с фазовым переходом GeSbTes 5 изменяется на аморфное или кристаллическое управляющим оптическим сигналом 6.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
2
3
4
2
2
3
4
2
2
3
4
2
2
3
4
В качестве примера рассматривается фотонный делитель, в котором оптические проводники 1 и 2 состоят из кварцевого стекла SiO, модулирующий элемент 3 состоит из пяти чередующихся слоев, три из которых слои 4 из материала SiN, два из которых слои 5 из материала с фазовым переходом GeSbTes: 350 нм SiN, 16 нм слой из материала с фазовым переходом GeSbTes, 325 нм SiN, 7 нм слой из материала с фазовым переходом GeSbTes, 365 нм SiN.
В качестве управляющего оптического сигнала 6 используется излучение с длиной волны 405 нм. В качестве информационного оптического сигнала 7 используется излучение с длиной волны 1550 нм.
2
2
2
2
2
2
В данном примере в качестве материала с фазовым переходом используется GeSbTes. Слои 5 из материала с фазовым переходом GeSbTes при воздействии импульсов управляющего оптического сигнала 6 принимают два устойчивых фазовых состояния: аморфное и кристаллическое. Материалу GeSbTe5 с данными фазовыми состояниями соответствуют следующие значения комплексного показателя преломления для излучений с длинами волн: для 1550 нм в аморфном фазовом состоянии nk = 3,8 + 0,06i, в кристаллическом фазовом состоянии nk =6,3 + 1,2i; для 405 нм в аморфном фазовом состоянии nk = 4 + 1,4i, в кристаллическом фазовом состоянии nk = 4 + 3,8i.
2
2
Воздействие импульса управляющего оптического сигнала 6 с длиной волны излучения 405 нм приводит к поглощению излучения слоями 5 из материала с фазовым переходом GeSbTes, что при определенных значениях интенсивности и длительности импульса приводит к фазовому переходу от аморфного к кристаллическому фазовому состоянию или наоборот.
2
3
4
2
3
4
Значения комплексного показателя преломления nk равны: для излучения с длиной волны 1550 нм для оптических проводников 1 и 2 из SiO nk= 1,44, для слоев модулирующего элемента 3 из SiN nk = 2; для излучения с длиной волны 405 нм для оптических проводников 1 и 2 из SiO nk = 1,46, для слоев модулирующего элемента 3 из SiN nk-2,1.
2
2
Расчет пропускательной, отражательной и поглощательной способностей модулирующего элемента 3 при изменений значения комплексного показателя преломления nk {nk = n + νk,где n - показатель преломления, k - коэффициент экстинкции) слоя 5 из материала с фазовым переходом GeSbTes от значения nk в аморфном состояния к значению nk в кристаллическом состоянии в соответствии с рекуррентными выражениями Френеля-Эйри для многослойной структуры для нормально падающего излучения показал следующие результаты.
В аморфном состоянии при nk = 3,8 + 0,061, отражательная способность равна 0, а пропускательная 97%, что соответствует пропусканию
информационного оптического сигнала 7 через модулирующий элемент 3, логической 1 для сигнала 8 и логическому 0 для сигналов 9 и 10. Соответственно интенсивность сигнала 8 составит 97 % от исходного информационного оптического сигнала 7. Оставшиеся 3% будут поглощены слоями 5 из фазового материала в связи с неидеальностью их характеристик. Стоит отметить, что при нулевом значении коэффициента экстинкции k поглощения не будет, а информационный сигнал будет полностью пропущен.
2
2
В кристаллическом состоянии при nk = 6,3 + l,2i, отражательная и пропускательная способности равны 32%, что соответствует делению информационного оптического сигнала 7 модулирующим элементом на две равные части, логическому 0 для сигнала 8 и логическим «1» для сигналов 9 и 10. Соответственно интенсивность сигналов 9 и 10 составит 32% от исходного информационного оптического сигнала 7. Оставшиеся 36% будут поглощены слоями 5 из материала с фазовым переходом GeSbTes в связи с неидеальностью их характеристик. Стоит отметить, что при нулевом значении коэффициента экстинкции к поглощения не будет, а информационный оптический сигнал 7 будет разделен пополам в соотношении 50% для отраженного сигнала 9 и 50% для прошедшего сигнала 10.
Настоящая полезная модель промышленно применима, т.к. может быть использована при создании оптических устройств (модуляторов, коммутаторов и делителей) и реализована с использованием тонкопленочных, планарных и оптоволоконных технологий.
Источники информации
[1] Патент СССР SU 1536343 А1.
[2] Патент Китая CN 100437321.
[3] Патент России RU 208572 U1. «прототип»