способ переключения фундаментальных солитонов в туннельно- связанных волноводах
| Классы МПК: | G02B6/12 типа интегральной схемы G02F1/025 в оптических волноводах |
| Автор(ы): | Майер А.А.(RU) |
| Патентообладатель(и): | Майер Оптикал Рисеч энд Текнолоджис ГмбХ (CH) |
| Приоритеты: |
подача заявки:
1997-09-19 публикация патента:
20.11.1998 |
Способ переключения фундаментальных солитонов в туннельно-связанных волноводах может быть использован в оптических переключателях и оптических транзисторах. На вход одного из туннельно-связанных волноводов, обладающих нелинейностью и дисперсией второго порядка, подают излучение в виде фундаментальных солитонов или близких к нему по амплитуде и форме импульсов с различной максимальной интенсивностью, которая находится в пределах (0,6 - 1,4)IM. В других вариантах способа дополнительно подают излучение, интенсивность которого значительно меньше или соизмерима с интенсивностью солитонов, на вход того же или другого волновода. На вход одного из волноводов можно подавать последовательность импульсов, часть которых имеет интенсивность, в 1,3 раза меньшую критической, а другая часть - в 1,3 раза раза большую критической. Технический результат заключается в уменьшении энергии вводимых в световод солитонов, а также в повышении резкости и глубины переключения. 4 с. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Способ переключения импульсов в туннельно-связанных волноводах, заключающийся в том, что на вход одного из туннельно-связанных волноводов, обладающих нелинейностью и дисперсией второго порядка, подают излучение в виде импульсов с различной максимальной интенсивностью |a200|, отличающийся тем, что в качестве импульсов используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде и форме импульсы, максимальная интенсивность которых находится в пределах (0,6 - 1,4)IМ, где IМ - критическая интенсивность, причем IM = (2
8)Kn/|
n|,где a00 - входная амплитуда импульса в солитонной нормировке, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке;
n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что IM = (5 7)Kn/|n|.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют импульсы с амплитудой в солитонной нормировке 0,5 <a
8)Kn/|n|, где a00 - входная амплитуда импульса в солитонной нормировке, Aс - входная амплитуда излучения с изменяемой интенсивностью или фазой, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке, n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что IM = (5 7)Kn/|n|.8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что используют импульсы с амплитудой в солитонной нормировке 0,5<a
8)Kn/|n|,где a00 - входная амплитуда в солитонной нормировке, Ac - входная амплитуда излучения с изменяемой интенсивностью или фазой, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке,
n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что IM = (5 7)Kn/|n|.15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что используют импульсы с амплитудой в солитонной нормировке 0,5 <a
8)Kn/|n|,где a00 - входная амплитуда в солитонной нормировке, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке;
n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. 19. Способ по п.18, отличающийся тем, что IM = (5 7)Kn/|n|.20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что используют импульсы с максимальной интенсивностью, квадрат которой по крайней мере на порядок больше квадрата критической интенсивности IM, с амплитудой в солитонной нормировке 0,5<a
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области нелинейной волоконной и интегральной оптики, а точнее, к области полностью оптических переключателей и оптических транзисторов. Известен способ самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) [1,2]. Способ заключается в резком изменении соотношения интенсивностей (и фаз) волн на выходе туннельно-связанных оптических волноводов (ТСОВ) за счет малого изменения входных интенсивностей или фаз этих волн на входе системы. На основе данного способа был предложен ранее неизвестный класс оптических транзисторов. Важное достоинство волоконного оптического транзистора - удобство его соединения с оптическими волоконными линиями связи. Явление самопереключения сопровождается автосинхронизацией волн, т.е. выравниванием фаз волн на выходе в так называемой средней точке самопереключения [3,4]. В качестве одного из перспективных вариантов оптического транзистора был предложен дискретный оптический транзистор [5], где в качестве накачки используется последовательность сверхкоротких импульсов. Если в волоконных световодах существенна дисперсия, что имеет место в длинных волоконных световодах, то оптимальной формой импульсов является солитонная. Известно, что, распространяясь по волоконному световоду даже на большие расстояния, солитонные импульсы не расплываются, сохраняя свою форму sech(t), ибо для них нелинейное сжатие компенсируется дисперсионным расплыванием. Поэтому солитоны и перспективны для передачи рекордно больших объемов информации. Еще боле важно то, что солитоны могут переключаться целиком как единое целое, обеспечивая тем самым полное самопереключение, т.е. большой эффективный коэффициент усиления дискретного оптического транзистора [5]. Это объясняется тем, что солитон, распространяясь вдоль волоконного световода, сохраняет однородный фазовый временной профиль, т.е. во всех точках солитона его фаза - почти одна и та же и зависит только от продольной координаты z. Самопереключение происходит вблизи средней точки самопереключения M, соответствующей единичному модулю эллиптической функции. В этой точке выходные интенсивности и фазы волн на выходе нулевого и первого волноводов равны, а крутизна характеристики (т.е. чувствительность к малым изменениям входных интенсивностей и фаз) максимальна. Наиболее близким к предложенному способу является способ переключения импульсов, близких к солитонам второго порядка, когда a200 = 3,63, a210 = 0, с использованием туннельно-связанных оптических волноводов [6]. Недостатком этого способа является относительно высокая энергия вводимых в световод солитонов, а также недостаточная резкость и глубина переключения. Технической задачей изобретения является уменьшение энергии вводимых в световод солитонов, а также повышение резкости и глубины переключения. Поставленная задача в первом варианте решается тем, что в способе переключения импульсов в туннельно-связанных волноводах, заключающемся в том, что на вход одного из туннельно-связанных волноводов (нулевого), обладающих нелинейностью и дисперсией второго порядка, подают излучение в виде импульсов с различной максимальной интенсивностью
, в качестве импульсов используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде и форме импульсы, максимальная интенсивность которых находится в пределах (0,6 - 1,4) Iм, где Iм - критическая интенсивность, причем 
где a00 - вxодная амплитуда импульса в солитонной нормировке, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке, n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормироке. В частном случае 
Близость амплитуды импульса к амплитуде фундаментального солитона заключается в том, что используют импульсы с амплитудой в солитонной нормировке 0,5 < a00 < 1,7. В частности, длина туннельной связи волноводов больше или равна половине длины перекачки излучения в линейном режиме. Под длиной линейной перекачки (длиной перекачки в линейном режиме) понимается длина туннельно-связанных волноводов, на которой происходит перекачки энергии из нулевого волновода в первый при условии ввода излучения в нулевой волновод при отсутствии его в первом волноводе, при нулевом нелинейном коэффициенте
n, т.е. при вводе излучения, квадрат интенсивности которого по крайней мере на порядок меньше квадрата критической интенсивности Iм. В частности, туннельно-связанные волноводы могут быть выполнены в виде двужильного волоконного световода. Поставленная задача во втором варианте решается тем, что в способе переключения импульсов в туннельно-связанных волноводах, заключающемся в том, что на вход одного из туннельно-связанных волноводов (нулевого), обладающих нелинейностью и дисперсией второго порядка, подают излучение в виде импульсов с максимальной интенсивностью 
на вход другого (первого) или нулевого волновода подают излучение с изменяемой интенсивностью или фазой, в качестве импульсов, подаваемых на вход нулевого волновода, используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде и форме импульсы, максимальная интенсивность которых находится в пределах (0,6 - 1,4) Iм, где Iм - критическая интенсивность, причем 
где a00 - входная амплитуда импульса в солитонной нормировке, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке, n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. В частном случае 
Близость амплитуды импульса к амплитуде фундаментального солитона заключается в том, что используют импульсы с амплитудой в солитонной нормировке 0,5 < a00 < 1,7. В частности, длина туннельной связи волноводов больше или равна половине длины перекачки излучения в линейном режиме. В частности, туннельно-связанные волноводы могут быть выполнены в виде двужильного волоконного световода. В различных случаях максимальная интенсивность излучения с изменяемой интенсивностью меньше по крайней мере на порядок максимальной интенсивности импульсов, подаваемых на вход нулевого волновода. В частном случае в качестве излучения с изменяемой интенсивностью, подаваемого на вход первого волновода, используют фундаментальные солитоны или близкие к ним импульсы. Поставленная задача в третьем варианте решается тем, что в способе переключения в туннельно-связанных волноводах, заключающемся в том, что на вход одного из туннельно-связанных волноводов (нулевого), обладающих нелинейностью и дисперсией второго порядка, подают излучение в виде импульсов, на вход другого (первого) или нулевого волновода дополнительно подают излучение в виде импульсов с различной или одинаковой фазой или максимальной интенсивностью, при этом в качестве импульсов используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде и форме импульсы с максимальной интенсивностью
равной или большей четверти критической интенсивности Iм, причем Iм = 
где a00 - входная амплитуда импульса в солитонной нормировке, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке, n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. В частном случае 
Близость амплитуды импульса к амплитуде фундаментального солитона заключается в том, что используют импульсы с амплитудой в солитонной нормировке 0,5 < a00 < 1,7. В частности, длина туннельной связи волноводов больше или равна половине длины перекачки излучения в линейном режиме. Поставленная задача в четвертом варианте решается тем, что в способе переключения в туннельно-связанных волноводах, заключающемся в том, что на вход одного из туннельно-связанных волноводов (нулевого), обладающих нелинейностью и дисперсией второго порядка, подают излучение в виде импульсов с различной максимальной интенсивностью, одна часть импульсов имеет максимальную интенсивность
квадрат которой по крайней мере в 1,3 раза больше квадрата критической интенсивности Iм, другая часть импульсов имеет максимальную интенсивность в 1,3 раза меньше квадрата критической интенсивности Iм, при этом в качестве импульсов с максимальной интенсивностью, квадрат которой по крайней мере в 1,3 раза больше квадрата критической интенсивности Iм, используют фундаментальные солитоны или близкие к ним по амплитуде и форме импульсы, причем 
где a00 - входная амплитуда импульса в солитонной нормировке, Kn - усредненный по длине туннельной связи коэффициент туннельной связи волноводов в солитонной нормировке, n - средний арифметический нелинейный коэффициент двух волноводов в солитонной нормировке. В частном случае 
Близость амплитуды импульса к амплитуде фундаментального солитона заключается в том, что используют импульсы с максимальной интенсивностью, квадрат которой по крайней мере на порядок больше квадрата критической интенсивности Iм, с амплитудой в солитонной нормировке 0,5 < a00 < 1,7. В частном случае длина туннельной связи волноводов равна нечетному числу перекачек излучения в линейном режиме. В частности, туннельно-связанные волноводы могут быть выполнены в виде двужильного волоконного световода. Способ переключения солитонов иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображены временные профили мощности солитонноподобных импульсов в различных сечениях нулевого и первого ТСОВ (а), зависимость энергии импульсов от продольной координаты (б), и cos (
1-0) на выходе ТСОВ (в) при критической интенсивности на входе нулевого (средняя точка самопереключения M); a00 = 1.0998, Kn = 0.2. На фиг. 2 - временные профили мощности солитонноподобных импульсов в различных сечениях нулевого и первого ТСОВ и на их выходе (при zn=ln=31.95 (а, б) и соответствующие зависимости энергии импульсов от продольной координаты (в, г). Kn=0.2. Переключение вызвано либо изменением входной интенсивности, тогда: a10=0, a00=1.097 (а, в), a00=1.103 (б, г); либо - изменением входной фазы сигнала, тогда: a10=0.007, a00=1.0998, 
0= 10-00= 0(a,в),0= 
(б,г).На фиг. 3 - зависимость энергии импульсов от продольной координаты при Kn= 0.236175, ln= 31.95,
n = 1, Dn=0.05, и амплитудах: a00=1.148 (а); a00= 1.15 (б, г, д, е); a00=1.152 (в); a10= 0 (а, б, в, д), a10=0.005 (г, е); д - линейный случай: Dn=0, = 0. На фиг. 4 - зависимость энергии импульсов от продольной координаты при Kn=0.274955, ln=31.95, n = 1, Dn=0.05, и амплитудах: a00=1.197 (а); a00=1.2 (б, г, д, е); a00=1.2004 (в); a10= 0.0015 (г, е), a10=0 (а, б, в, д), д - линейный случай: Dn=0, = 0. В квазистационарном режиме, когда дисперсией второго порядка можно пренебречь, в простейшем случае подачи света в один из идентичных ТСОВ (нулевой), соотношение между квадратом входной амплитуды A00, коэффициентом связи K и нелинейным коэффициентом , соответствующее средней точке самопереключения M, имеет вид 
Уравнения, описывающие нелинейное взаимодействие и самопереключение волн в системах с ОРСВ, в частности в ТСОВ, были в дальнейшем обобщены [5] на случай диспергирующей среды; высказано предположение [5], что при
в системе могут образовываться парные т.е. связанные солитоны, один из которых распространяется в виде нулевой волны (в нулевом волноводе, если речь идет о ТСОВ), а другой - в качестве первой волны (в первом волноводе). Это подтвердилось и для области, далекой от точки M, и в области самопереключения. Уравнения [4] численно решались [6] в солитонной нормировке:
где
n = 1, Dn=0.5, 
начальная длительность (индекс n - нормировка). Начальные условия имеют вид:
где
d - время задержки импульса, поступающего на вход первого волновода по отношению к импульсу, поступившему на вход нулевого волновода. Для самопереключения импульсов, как правило, 
На бесконечности поле равно нулю, поэтому
В данные уравнения входят Aj, где j = 0,1 - нормирование амплитуды электрических полей, квадраты которых пропорциональны плотности энергии, мощности и интенсивности и фактически представляют собой нормированную плотность энергии, нормированную мощность или нормированную интенсивность. Рассмотрим переключение импульсов, близких к фундаментальным солитонам. В средней точке самопереключения M (т.е. при критической интенсивности на входе) фазы солитонов на выходе системы автоматически выравниваются. Коэффициент туннельной связи выбран так, чтобы амплитуда фундаментального солитона соответствовала критической интенсивности. Вначале рассмотрим случай a10=0. Оказалось (фиг. 1), что для фундаментального солитона с амплитудой a00= 1.1 соответствующий критической интенсивности коэффициент туннельной связи Kn= 0.2. Таким образом, в соотношении
между пиковой (максимальной) интенсивностью солитона, нелинейным коэффициентом и коэффициентом туннельной связи для средней точки самопереключения M, коэффициент пропорциональности m= 1.12/0.2=6 (а не m=4, как в квазистационарном случае), что хорошо соответствует аналитической оценке [2]. В этой оценке солитонный режим рассматривался как временной аналог пространственного волновода и применялся тот же подход, что и при выводе квазистационарных уравнений для нелинейных ТСОВ, предполагающий, что пространственный профиль волны в каждом волноводе не зависит от z. В результате численных экспериментов установлено, что эффективное переключение достигается при коэффициентах пропорциональности, находящихся в диапазоне 2-8. Следует отметить, что волноводы могут иметь различный по длине коэффициент туннельной связи, и нелинейные коэффициенты у них могут отличаться. В этом случае для расчетов производится усреднение указанных величин. Если пренебречь изменением временного профиля вдоль волноводов, считая что он на всей длине сохраняет солитонную форму, то мы и получим аналитическую оценку [2]. Строго говоря, средняя точка для солитонов зависит от длины ТСОВ и при параметрах Kn = 0.2, a00=1.0998 соответствует нормированной длине ln= 31.95 в четыре линейных перекачки, т.е. L=2Knln=4 . На фиг. 1а,б отчетливо видно, что при указанных параметрах перекачка вдоль волноводов, начиная с определенного расстояния от входа, прекращается (точнее, для солитонов резко увеличивается период перекачки), мощности волн выравниваются, а косинус разности фаз между ними становится равным единице (фиг. 1в). Таким образом, происходит автосинхронизация солитонноподобных импульсов на выходе системы. В первом, втором и третьем вариантах способа мы "находимся" вблизи средней точки самопереключения M, например, соответствующей Kn=0.2, a00= 1.0998, a10= 0 (фиг. 1). При этом малое увеличение или уменьшение входной интенсивности (на 0.5%) вызывает самопереключение импульса из одного волновода в другой: при a00=1.097 имеем энергию на выходе первого волновода в 2.2 раза больше (фиг. 2а), чем на выходе первого; при a00=1.103, напротив, энергия на выходе первого в 4 с лишним раза меньше, чем энергия на выходе нулевого (фиг. 2б). Т.е. происходит самопереключение импульсов, близких к фундаментальным солитонам. Во втором варианте способа самопереключение импульсов происходит при изменении интенсивности сигнального импульса, подаваемого на вход нулевого или первого волновода, при одновременной подаче на вход нулевого волновода солитонов накачки. При этом, как правило, мощность (интенсивность) сигнального излучения на выходе на несколько порядков меньше мощности (интенсивности) солитонов накачки (фиг. 2, 3а,в, 4а,в), однако в частных случаях указанные мощности могут быть одного порядка. Самопереключение может вызываться также изменением фазы входного слабого сигнального импульса, даже если мощность сигнального импульса на входе на несколько порядков меньше мощности солитона накачки (фиг. 2): при 0 = 0 почти весь солитон - на выходе нулевого волновода (фиг. 2б); при 0 = , напротив, - на выходе первого волновода энергия в 2.2 раза больше, чем на выходе нулевого (фиг. 2а). То же переключение изменением фазы, но с большим контрастом и меньшей мощностью сигнального импульса иллюстрируют фиг. 3г,е и 4г,е. Сигнальные импульсы могут иметь различную форму, отличную от солитонной; сигнальное излучение может также быть не в виде импульсов, а в виде непрерывного излучения с изменяемым параметром: амплитудой или фазой. В этом случае солитоны формируются из такого излучения при прохождении по волноводу. При выбранных параметрах одна и та же фиг. 2 иллюстрирует и самопереключение, вызванное изменением интенсивности входного солитона (когда a10=0 и варьируется a00), и самопереключение, вызванное изменением фазы сигнала (когда a10=0.007, a00=1.0998 и варьируется 0). Результаты при этом совпадают. Все это говорит о том, что фиг. 1, также как фиг. 3б, 4б действительно соответствует средней точке M самопереключения фундаментальных солитонов. Значительно большая глубина (контраст) самопереключения достигается при нескольких больших входных амплитудах. Например, при a00=1.15 (фиг. 3) и той же нормированной длине ln=31.95 средней точке самопереключения M (фиг. 3б) соответствует Kn= 0.236175, что несколько выше оценочного значения [2] Kn= 0.22. Пусть Kn=0.236175, ln=31.95, что соответствует 4.8 линейных перекачек (фиг. 3д). Тогда при a00=1.148 примерно 87% излучения выходит из первого волновода (точка M1) (фиг. 3а), а уже при a00=1.152 - 93.2% излучения выходит из нулевого волновода (точка M0) (фиг. 3в). Если a00=1.15, a10=0.005, то при 0 =0 - 92.7% энергии покидает нулевой волновод (точка M0) (фиг. 3е), а при = - 87% выходит из первого волновода (точка M1) (фиг. 3г). Еще более глубокое (контрастное) самопереключение возникает при a00=1.2, когда средняя точка самопереключения M для ln= 31.95 соответствует Kn= 0.274955 (фиг. 4). Этим значением Kn и ln соответствует 5.5 линейных перекачек (фиг. 4д). Тогда при a00=1.2004 - 91.4% излучения выходит из нулевого волновода (точка M0) (фиг. 4в), а при a00= 1.197 - 93.6% - из первого (точка M1) (фиг. 4а). Если a00=1.2, a10=0.0015, то при 0 =0 почти 89% энергии покидает нулевой волновод (фиг. 4г), а при 0 = свыше 96% выходит из первого (фиг. 4е). В третьем варианте способа в отличие от второго сигнальное излучение, подаваемое на вход нулевого или первого волновода, представляет собой фундаментальные или близкие к ним импульсы, причем интенсивность сигнального излучения равна или близка интенсивности солитонов накачки, подаваемых на вход нулевого волновода. При этом, поскольку в данном случае происходит интерференция солитонов, пороговая интенсивность определяется как четверть критической интенсивности. При наличии на входе двух последовательностей солитонов либо последовательности солитонов и излучения с изменяемой интенсивностью и фазой необходима временная и фазовая синхронизация по крайней мере части импульсов. Конкретные условия синхронизации зависят от области применения предложенного способа, например, для логического элемента И важна временная синхронизация хотя бы части импульсов, а для логического элемента ИЛИ она не имеет большого значения. В четвертом варианте способа происходит селекция импульсов различной мощности за счет эффекта переключения. При этом соотношение между максимальной интенсивностью импульсов большей мощности (солитонов), максимальной интенсивностью импульсов меньшей мощности, нелинейным коэффициентом и коэффициентом туннельной связи для средней точки самопереключения M подобрано таким образом, чтобы обеспечить перекачку импульсов из нулевого волновода в первый в линейном режиме и прохождение импульсов по нулевому волноводу практически без перекачки излучения в первый волновод в нелинейном режиме. Самопереключение солитонов согласно предложенному способу значительно круче описанного в [6], т.е. чувствительнее к малым изменениям входной интенсивности. Например, при 1.15 
a00 1.2 глубина (контраст) самопереключения в несколько раз выше, чем в [6] (фиг. 3,4). Кроме того, оно возникает при входной энергии солитонов, втрое меньшей, чем в [6], где рассматривались импульсы, близкие к солитонам второго порядка; в настоящей же работе солитоны - близкие к фундаментальным. Источники информации1. Майер А.А. УФН 1995, т. 165, N 9, с. 1037-1075. 2. Майер А.А. УФН 1996, т. 166, N 11, с. 1171-1196. 3. Майер А.А. Изв. АН СССР, сер. физ., 1984, т. 48, с. 1441-1446. 4. Майер А.А. Препринт ИОФАН N 236. - М.: 1984; Квант. электрон. 1985, т. 12, N 7, с. 1537-1540. 5. Майер А. А. Препринт ИОФАН N 334(20). - М.: 1985; Квант. электрон. 1987, т. 12, N 14, с. 1596-1603. 6. Trillo S, Wabnitz S., Wright E.M., Stegeman G.I. Optics Lett. 1988, т. 13, p. 672-674.
Класс G02B6/12 типа интегральной схемы
Класс G02F1/025 в оптических волноводах