Фотонный коммутатор

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники и может быть использована при создании полностью информационных оптических систем для модуляции оптических сигналов или для коммутации информационных каналов, например, в волоконно-оптических линиях связи и в системах сети на чипе.
Известен аналог, приведенный в патенте Китая 1993649 [1]. Он представляет из себя 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 для коммутации информационных каналов является труднореализуемым. Кроме того, отражательная способность такого элемента изменяется в диапазоне от 0 до 65%, при этом неучтенные 35% представляют собой оптические потери.
Известен аналог, приведенный в международном патенте WO2017/046590 [2]. Он представляет собой фотонное устройство, содержащее: оптический волновод и модулирующий элемент, который эванесцентно связан с волноводом; при этом модулирующий элемент модифицирует характеристики пропускания, отражения или поглощения волновода в зависимости от его состояния, а состояние модулирующего элемента изменяется оптическим управляющим сигналом, переносимым волноводом или электрическим сигналом, который нагревает модулирующий элемент. Основной недостаток данного аналога связан с тем, что модулирующий элемент расположен поверх оптического проводника и не позволяет добиться высокой степени модуляции информационного оптического сигнала при изменении состояния модулирующего элемента. Модуляция информационного оптического сигнала достигается за счет поглощающих свойств модулирующего элемента и изменения пропускательной способности в диапазоне от 10 до 30%, при этом часть сигнала все же распространяется дальше по оптическому проводнику или поглощается, что ведет к потерям информационного оптического сигнала на уровне 70%. Недостатком этого аналога также является то, что он позволяет выполнять модуляцию информационного оптического сигнала только при его пропускании через оптический волновод, для выполнения модуляции при распространении информационного оптического сигнала в обратном направлении (при отражении) он не рассчитан.
Аналогом-прототипом полезной модели является решение, приведенное в патенте РФ 201507U [3]. Данное решение представляет из себя фотонный модулятор, включающий оптический проводник, модулирующий элемент, который содержит материал с фазовым переходом, отличающийся тем, что модулирующий элемент расположен на торце оптического проводника и представляет собой многослойную структуру, состоящую, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом. Фотонный модулятор работает следующим образом: модулирующий элемент в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой из материала с фазовым переходом, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, поглощает информационный оптический сигнал или отражает информационный оптический сигнал назад в оптический проводник; фазовое состояние слоя из материала с фазовым переходом изменяется управляющим оптическим сигналом. При этом модуляция информационного оптического сигнала достигается за счет изменения поглощательной и отражательной способностей модулирующего элемента в диапазоне от 1 до 95%, пропускательная способность модулирующего элемента при этом не изменяется и составляет 4%, а потери информационного оптического сигнала составляют не более 5%. Недостатком аналога-прототипа является то, что он не способен выполнять модуляцию информационного оптического сигнала при его пропускании через модулирующий элемент.
Расположение модулирующего элемента между оптическими проводниками, а также изменение параметров дополнительных слоев (толщин и материалов), входящих в многослойную структуру модулирующего элемента, позволяют скорректировать распространение электромагнитной волны в многослойной структуре и добиться модуляции информационного оптического сигнала не только при его отражении от модулирующего элемента, но и при его пропускании через модулирующий элемент. Выполнение модуляции при отражении и пропускании пространственно разделяет пути распространения информационного оптического сигнала, что позволяет также коммутировать его между оптическими проводниками.
Анализ предшествующего уровня техники и возможностей, которые появляются при комбинировании их в одной системе, позволяет получить новый результат, а именно фотонный коммутатор - устройство для модуляции интенсивностью информационного оптического сигнала, которое имеет диапазоны изменения пропускательной способности от 85% до 3%, отражательной способности от 0% до 81% и в сравнении с аналогом - прототипом позволяет модулировать информационный оптический сигнал при его пропускании через модулирующий элемент, а также коммутировать его между оптическими проводниками.
Заявленная полезная модель направлена на решение технической задачи по расширению функциональных возможностей - выполнению одновременной модуляции информационного оптического сигнала при его отражении от модулирующего элемента и пропускании через него и коммутации информационного оптического сигнала между оптическими проводниками.
2
2
5
Это достигается тем, что фотонный коммутатор включает в себя оптические проводники, расположенный между оптическими проводниками модулирующий элемент - многослойная структура, состоящая, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом, отличается от аналога-прототипа 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.
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;
2
2
5
4 - слой из материала с фазовым переходом GeSbTe;
5 - информационный оптический сигнал;
6 - управляющий оптический сигнал;
7 - преобразованный информационный оптический сигнал при пропускании через модулирующий элемент;
8 - преобразованный информационный оптический сигнал при отражении от модулирующего элемента.
2
2
5
2
2
5
Устройство работает следующим образом: модулирующий элемент 3 в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой 4 из материала с фазовым переходом GeSbTe, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, пропускает информационный оптический сигнал 5 из оптического проводника 1 в 2, преобразуя сигнал 5 в сигнал 7, или отражает информационный оптический сигнал 5 назад в оптический проводник 1, преобразуя сигнал 5 в сигнал 8; фазовое состояние слоя из материала с фазовым переходом GeSbTe 4 изменяется 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
2
2
2
5
2
В качестве примера рассматривается фотонный коммутатор, в котором оптические проводники 1 и 2 состоят из кварцевого стекла Si0, модулирующий элемент 3 состоит из пяти слоев: 112 нм Si, 157 нм Si0, 36 нм слой 4 из материала с фазовым переходом GeSbTe, 157 нм Si0, 111 нм Si.
В качестве информационного оптического сигнала 5 используется излучение с длиной волны 1550 нм. В качестве управляющего оптического сигнала 6 используется излучение с длиной волны 650 нм.
2
2
5
2
2
5
2
2
5
В данном примере в качестве материала с фазовым переходом используется GeSbTe. Слой 4 из материала с фазовым переходом GeSbTe при воздействии импульсов управляющего оптического сигнала 6 принимает два устойчивых фазовых состояния: аморфное и кристаллическое. Материалу GeSbTe 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 650 нм в аморфном фазовом состоянии nk=4+1,4i, в кристаллическом фазовом состоянии nk=4+3,8i.
2
2
5
Воздействие импульса управляющего оптического сигнала 6 с длиной волны излучения 650 нм приводит к поглощению излучения слоем 4 из материала с фазовым переходом GeSbTe, что при определенных значениях интенсивности и длительности импульса приводит к фазовому переходу от аморфного к кристаллическому фазовому состоянию или наоборот.
2
2
2
2
Значения комплексного показателя преломления nk равны: для излучения с длиной волны 1550 нм для оптического проводника 1 из SiO и слоев модулирующего элемента 3 из SiO nk=1,44, для слоев модулирующего элемента 3 из Si nk=3,47; для излучения с длиной волны 650 нм для оптического проводника 1 из SiO и слоев модулирующего элемента 3 из SiOnk=1,46, для слоев модулирующего элемента 3 из Si nk=3,85+0,002i.
2
2
5
Расчет отражательной и поглощательной способностей модулирующего элемента 3 при изменении значения комплексного показателя преломления nk (nk=n+i⋅k, где n - показатель преломления, k - коэффициент экстинкции) слоя 4 из материала с фазовым переходом GeSbTe 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+0,06i, отражательная способность равна 0, а пропускательная 85%, что соответствует пропусканию информационного оптического сигнала 5 через модулирующий элемент 3, логическому «О» для сигнала 7 и логической «1» для сигнала 8. Соответственно интенсивность сигнала 8 составит 85% от исходного информационного оптического сигнала 5. Оставшиеся 15% будут поглощены слоем из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик. Стоит отметить, что при нулевом значении коэффициента экстинкции к поглощения не будет, а информационный сигнал будет полностью пропущен.
2
2
5
В кристаллическом состоянии при nk=6,3+1,21, отражательная способность равна 81%, а пропускательная 3%, что соответствует отражению информационного оптического сигнала 5 от модулирующего элемента, логической «1» для сигнала 7 и логическому «0» для сигнала 8. Соответственно интенсивность сигнала 7 составит 81% от исходного информационного оптического сигнала 5. Оставшиеся 16% будут поглощены слоем 4 из материала с фазовым переходом GeSbTe в связи с неидеальностью его характеристик. Стоит отметить, что при нулевом значении коэффициента экстинкции к поглощения не будет, а информационный оптический сигнал будет почти полностью отражен. Нежелательные 3% пропускания связаны с неидеальностью значения показателя преломления n слоя из материала с фазовым переходом в кристаллическом состоянии. Стоит отметить, что при больших значениях показателя преломления n слоя 4 в кристаллическом состоянии можно добиться 0% пропускания.
Настоящая полезная модель промышленно применима, т.к. может быть использована при создании оптических коммутирующих устройств и реализована с использованием тонкопленочных, планарных и оптоволоконных технологий.
Источники информации
[1] Патент Китая CN 100437321.
[2] Международный патент WO 2017/046590.
[3] Патент России RU 201507 U1.