Волоконный логический элемент "управляемый НЕ"

Полезная модель относится к области оптических логических элементов с управляемым НЕ.
В качестве прототипа выбрано следующее устройство: High-order optical vortex generation in a few-mode Hber via cascaded acoustically driven vector mode conversion / W. Zhang, L. Huang, K. Wei, P. Li et al. // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41, No. 21. - P. 5082-5085.
Устройство состоит из лазера, расположенных по ходу луча поляризатора, полуволновой пластинки, четвертьволновой пластинки, короткофокусной линзы, модового фильтра, состоящего из накрученного на стержень одномодового волокна для получения чистой оптической моды; маломодового волокна с частично стравленной оболочкой; а также двух пьезокерамических излучателей бегущих акустических волн с разными частотами, которые посредством кварцевого конического стержня подсоединяются к входному торцу маломодового волокна, блока анализатора, состоящего из второго микрообъектива, интерферометра Маха-Цендера и регистратора.
Недостатки устройства:
Принципиальным недостатком устройства является то, что принцип подбора длины волокна не обеспечивает необходимый для реализации логического элемента эффект зависимости длины конверсии от поляризации падающего в волокно оптического пучка.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать устройство для эффективной реализации волоконного логического элемента «управляемое НЕ».
Данная задача достигается путем использования линейно поляризованного оптического вихря на входе в круглое оптическое маломодовое волокно с распространяющейся одной основной изгибной акустической волной с подобранной длиной волокна таким образом, что наблюдается зависящая от поляризации модовая конверсия, в которой знак топологического заряда генерируемого в волокне сингулярного оптического пучка определяется направлением линейной поляризации (х или у) изначального оптического пучка.
Поставленная задача решается тем, что волоконный логический элемент «управляемое НЕ» содержит лазер, последовательно расположенные по ходу луча поляризатор, короткофокусную линзу, конический резонатор, жестко фиксированный с пьезокерамическим излучателем, слабонаправляющее маломодовое волокно заданной длины. Дополнительно содержит амплитудно-фазовую пластинку, расположенную между поляризатором и короткофокусной линзой.
На фиг. 1 представлена физическая схема волоконного логического элемента «управляемое НЕ».
На фиг. 2 представлено изображение логической схемы волоконного логического элемента «управляемое НЕ».
Устройство содержит (фиг. 1) лазер (1); последовательно расположенные по ходу луча поляризатор, позволяющий контролировать направление линейной поляризации пучка (х либо у) (2); короткофокусную линзу (3); конический резонатор (4); пьезокерамический излучатель (5), который жестко фиксирован с коническим резонатором (4); слабонаправляющее маломодовое волокно заданной длины с частично стравленной оболочкой с диаметром от 30 мкм до 100 мкм - в зависимости от частоты генерируемой акустической волны (6). Дополнительно содержит амплитудно-фазовую пластинку (7), расположенную между поляризатором (2) и короткофокусной линзой (3).
Устройство работает следующим образом:
Гауссов пучок от лазера (1) проходит через поляризатор (2), за счет чего приобретает линейную поляризацию (х либо у), посредством амплитудно-фазовой пластинки (7) формируется оптический вихрь с топологическим зарядом ±1. С помощью короткофокусной линзы (3) лазерное излучение фокусируется в маломодовое волокно (б).
Для эффективного динамического управления параметрами выходного излучения предлагается использовать акустоооптическое взаимодействие, индуцированное бегущей изгибной волной, воспроизводимой посредством пьезокерамического излучателя (5), жестко фиксированного с коническим резонатором (4). К узкой стороне стержня приклеен входной торец слабонаправляющего маломодового волокна (6) с частично стравленной оболочкой для усиления акустооптического взаимодействия в волокне.
Поле внутри волокна будет представлять собой суперпозицию падающего оптического вихря и сгенерированного внутри волокна вихря с топологическим зарядом противоположного знака. Модель маломодового волокна с линейно-поляризованным сгенерированным акустическим вихрем описывается следующим образом:  где  - диэлектрическая проницаемость невозмущенного волокна,  описывает геометрические преобразования в волокне,  - описывает влияние эффекта фотоупругости.
Подобрав необходимую длину волокна следующим образом:
0
co
o
для падающего х-поляризованного оптического пучка либо  для падающего у-поляризованного оптического пучка, где параметры, определяющие величину взаимодействия собственных мод волокна, описываются следующим образом:  где  r - радиус сердцевины волокна, ε - диэлектрическая проницаемость сердцевины, U - амплитуда акустической волны,  - нормировочный множитель, m - частотное число, становится возможным в режиме резонанса добиться того, что вся падающая энергия перейдет в сгенерированный в волокне оптический вихрь  где σ - определяет поляризацию,  - топологический заряд оптического вихря. При этом, топологический заряд выходного оптического вихря и длина конверсии будут определяться изначальным направлением вектора поляризации.
x
К примеру, для оптического волокна с параметрами V = 4.16, Δ = 0.001 (относительная разность показателей преломления), r0 = 6.3 мкм (радиус сердцевины) и диаметром оболочки - 80 мкм, при мощности акустической волны - 50 мВт и оптической длине волны λ = 0,632 мкм, при длине волокна L = 4,26 см вся энергия падающего х-поляризованного оптического вихря перейдет в сгенерированный сингулярный пучок  т.е. сигнал, соответствующий логической единице трансформируется в сигнал, соответствующий логическому нулю. При этом при переключении поляризации на у при неизменной длине волокна, вся энергия останется в изначальной моде
Преимущества устройства.
В волоконном логическом элементе «управляемое НЕ» с правильно подобранной длиной волокна направление линейной поляризации  соответствует состоянию управляющего кубита  а топологический заряд  описывает состояние управляемого кубита . Это позволяет использовать данный логический элемент для моделирования квантовых вычислений с помощью классических оптических полей. Схематически принцип работы волоконного логического элемента «управляемое НЕ» представлен на фиг. 2.