Оптический модулятор
OPTICAL MODULATOR

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, а точнее к области полностью оптических модуляторов и может быть использована в оптических логических схемах, источниках излучения и в других областях техники, где требуется полностью оптическое управление модуляцией излучения.
Известен оптический модулятор света, выполненный в виде оптического волокна, состоящего из сердцевины и оболочки содержащей фотохромные элементы (Патент WO 2010/120257, МПК G02B 6/02 (2006.01), дата приоритет 14.04.2009 дата публикации 21.10.2010). Путем воздействия электромагнитного излучения на фотохромные вещества становится возможным переводить их в фотоиндуцированное состояние, спектр поглощения которого отличен от изначального, тем самым изменяется прозрачность оболочки и нарушается условие полного внутреннего отражения в волокне и обеспечивается модуляция оптического излучения, проходящего по волокну. Недостатком данного изобретения является сложность изготовления и контроля выходных параметров излучения.
В качестве прототипа выбран оптический модулятор на основе активного элемента, выполненного в виде фотохромной пленки, содержащей бактериородопсин, расположенной на оптически прозрачной подложке (Патент США №6366388, МПК G02F 1/0126, дата приоритета 15.07.1999, дата публикации 27.01.2000). Модуляция в нем осуществляется из-за изменения молекулярной структуры фотохромных агентов при лазерном облучении с узкой спектральной шириной, отсекаемой дополнительным оптическим элементом - фильтром. Недостатком такого устройства является большое время перестройки лиганда, которое может достигать нескольких минут, а также сложность конструкции, вызывающая при изготовлении необходимость совмещения тонких оптических пленок с минимальным зазором между ними и обеспечения требуемых значений коэффициентов отражения, пропускания модулируемого и контрольного излучений.
В основу изобретения поставлена задача создания модулятора оптического излучения, отличающегося сравнительно высокой скоростью, изменения оптических свойств активного элемента на базе использования класса материалов - металл-органических каркасов.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении быстродействия устройства.
3
2
2
3
6
3
2
2
3
Данный технический результат достигается за счет того, что оптический модулятор света, содержащий источник света, лазер, расширительные коллиматоры пучков их излучений, установленные на пути распространения последних к выполненному в виде нанесенной на оптически прозрачную подложку пленки активному элементу с функцией исключения пропускания излучения от источника света при попадании на него при работе устройства направленного через светоделительный куб излучения лазера, а также фильтр, отличается тем, что источником света является источник излучения в диапазоне длин волн 520-610 нанометров. Лазер является источником инфракрасного излучения. Пленка активного элемента выполнена из металл-органического каркаса Cu(1,3,5-(COH)СН)(HO) толщиной около 100 нм и нанесена на оптически прозрачную подложку из диоксида кремния методом послойного осаждения. Фильтр расположен на выходе устройства с возможностью пропускания излучения источника света.
Сущность предлагаемого оптического модулятора поясняется фиг. 1, на которой представлена его блок-схема.
3
2
2
3
6
3
2
2
3
Устройство состоит из активного элемента выполненного в виде пленки 1 из металл-органического каркаса Cu(1,3,5-(COH)СН)(HO) толщиной около 100 нм, нанесенной методом послойного осаждения на подложку 2 изготовленной из диоксида кремния. По ходу распространения инфракрасного излучения лазера 3 установлен расширительный коллиматор из линз 4 и 5, а по ходу распространения излучения от источника света 6 в диапазоне длин волн 520-610 нанометров - коллиматор из линз 7 и 8. Активный элемент расположен между линзой 8 и светоделительным кубом 9, предназначенным для направления излучения от лазера 3 к пленке 1 через подложку 2 активного элемента. На выходе устройства расположен фильтр 10 с возможностью пропускания излучения источника света 6.
3
2
2
3
6
3
2
2
3
Устройство работает следующим образом. При освещении активного элемента управляющим излучением ИК диапазона лазера 3, пучок которого расширяется при помощи коллиматора на основе линз 4 и 5, происходит изменение оптических свойств пропускания пленки 1 из металл-органического каркаса Cu(1,3,5-(COH)СН)(HO), нанесенной на подложку 2, за счет разрыва химической связи между ионами меди и кислорода в результате чего вода удаляется из каркаса за время порядка 35 мс, что сопровождается исключением пропускания сквозь пленку 1 расширенного при помощи линз 7 и 8 пучка излучения от источника света 6 со спектральным диапазоном от 520 до 610 нм. Одновременная засветка пленки 1 управляющим инфракрасным излучением от лазера 3 и проходящим светом от источника света 6 реализуется при помощи светоделительного куба 9. Измерения показали, что проходящее излучение от источника 6 оказалось промодулировано по интенсивности в указанном спектральном диапазоне на величину порядка 20 дБ. При выключении излучения лазера 3 пленка 1 начинает абсобировать воду из воздуха (при нормальных условиях и длинах волн инфракрасного лазера 3 равных как 800 так и 1050 нм.), что сопровождается восстановлением оптических свойств поглощения пленки. Фильтр 10, расположенный на выходе устройства исключает возможность пропускания излучения лазера 3.
3
2
2
3
6
3
2
2
3
Активный элемент может быть также выполнен в виде одиночных кристаллов Cu(1,3,5-(COH)СН)(HO) с геометрическими размерами не превышающими 150 мкм по трем измерениям [N.K. Kulachenkov и др. Photochromic Free MOF-Based Near-Infrared Optical Switch // Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie. 202004293], закрепленных на оптически прозрачной подложке. Однако более высокая степень модуляции оказалась при использовании в предлагаемом устройстве указанной пленочной модификаци металл-органического каркаса в сочетании с прозрачной подложкой [Vitalie Stavila и др. Kinetics and mechanism of metal-organic framework thin film growth: systematic investigation of HKUST-1 deposition on QCM electrodes // Chem. Sci, 2012,3, 1531-154].
3
2
2
3
6
3
2
2
3
Существенное отличие предложенного оптического модулятора света, на основе металл-органического каркаса Cu(1,3,5-(COH)СН)(HO), обладающего свойствами обратимого переключения оптических свойств, состоит в том, что в его структуре не содержится фотохромных элементов, что на три порядка снижает время переключения, и дорогих редких материалов.
К техническим преимуществам предлагаемого оптического модулятора также относится простота конструкции, высокая скорость переключения, достигающая 35 мс и возможность функционирования в электропроводящей среде, в сильных электрических полях.