способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения в нелинейно-оптическом световоде и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения в нелинейно-оптическом световоде, изготовленном с возможностью распространения в нем, по меньшей мере, двух оптических однонаправленных распределенно-связанных волн, при этом суммарная мощность этих волн на входе должна быть выше пороговой входной мощности переключения и/или выполнены условия для самопереключения оптической энергии между этими волнами, причем на входе световода варьируют интенсивность или фазу хотя бы одной из этих волн, и разделяют участвующие в переключении волны после их выхода из световода, отличающийся тем, что используют световод, легированный ионами, по меньшей мере, одного редкоземельного элемента и/или частицами, по меньшей мере,одного вида полупроводника, длину, по меньшей мере, одной из оптических однонаправленных распределенно-связанных волн выбирают равной средней длине волны перехода между энергетическими уровнями редкоземельного элемента и/или частицы полупроводника или отличающейся от средней длины волны этого перехода не более чем на 10%, и с помощью оптической накачки, вводимой в этот нелинейно-оптический световод, уменьшают или устраняют или делают отрицательными суммарные оптические потери мощности оптических однонаправленных распределенно-связанных волн в этом нелинейно-оптическом световоде.

2. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптической накачки используется диодная накачка.

3. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптической накачки используется оптическое излучение, по меньшей мере, одного лазерного полупроводникового диода.

4. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что населенность верхнего уровня указанного перехода не превышает 55%.

5. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что используемый световод легирован ионами эрбия и/или иттербия.

6. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.5, отличающийся тем, что излучение оптической накачки имеет длину волны 980 нм и/или длину волны 1480 нм.

7. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.5, отличающийся тем, что уменьшают или устраняют или делают отрицательными суммарные оптические потери мощности оптических однонаправленных распределенно-связанных волн в диапазоне длин волн от =1.4 мкм до =1.65 мкм.

8. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что используемый световод легирован ионами двух или более редкоземельных элементов и/или частицами двух или более видов полупроводников.

9. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующих ионов редкоземельных элементов используются ионы празеодима и/или неодима.

10. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.9, отличающийся тем, что уменьшают или устраняют или делают отрицательными суммарные оптические потери мощности оптических однонаправленных распределенно-связанных волн в диапазоне длин волн от =1.250 мкм до =1.350 мкм.

11. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что используемый световод легирован нанокристаллами CdS_1-x Se_x.

12. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что нелинейно-оптический световод выполнен волоконным.

13. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что нелинейно-оптический световод выполнен двужильным.

14. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что нелинейно-оптический световод выполнен многожильным.

15. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что нелинейно-оптический световод выполнен двулучепреломляющим, и/или магнитоактивным и/или оптически активным, а однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами различных поляризаций.

16. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что однонаправленные распределенно-связанные волны являются различными модами нелинейно-оптического световода.

17. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что в качестве переключаемых однонаправленных распределенно-связанных волн в световод вводится оптическое излучение в виде последовательности солитонов.

18. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.17, отличающийся тем, что длина волны солитонов лежит в диапазоне от 1300 до 1650 нм.

19. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что однонаправленные распределенно-связанные волны являются волнами на различных частотах.

20. Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что варьируют мощность оптической накачки, вводимой в нелинейно-оптический световод.

21. Устройство для переключения, усиления и модуляции оптического излучения, содержащее нелинейный оптический световод, выполненный с возможностью распространения в нем, по меньшей мере, двух однонаправленных распределенно-связанных волн, и снабженное оптическим элементом для разделения этих волн на выходе устройства, отличающееся тем, что световод легирован ионами, по меньшей мере, одного редкоземельного элемента и/или частицами, по меньшей мере, одного вида полупроводника и снабжено оптическим элементом для ввода в указанный световод оптической накачки.

22. Устройство для переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.21, отличающееся тем, что на входе и/или выходе это устройство снабжено, по меньшей мере, одним оптическим изолятором.

23. Устройство для переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.21, отличающееся тем, что оптический элемент для ввода в указанный световод оптической накачки выполнен в виде волнового мультиплексора или включает в себя волновой мультиплексор.

24. Устройство для переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.21, отличающееся тем, что нелинейно-оптический световод легирован ионами эрбия и/или иттербия.

25. Устройство для переключения, усиления и модуляции оптического излучения по п.21, отличающееся тем, что нелинейно-оптический световод легирован ионами двух или более редкоземельных элементов и/или частицами двух или более видов полупроводников.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, а точнее к области полностью оптических переключателей, модуляторов и оптических транзисторов [1-2], и может быть использовано в волоконно-оптических линиях связи, в оптических логических схемах и в других областях, где требуется полностью оптическое переключение, модуляция оптического излучения и усиление оптического сигнала.

Хорошо известны (см., например, [3, 4]) эрбиевые усилители (EDFA) и другие усилители на основе легированных редкоземельными элементами (иттрия, иттербия, неодима и др.) волоконных световодов, широко используемые для усиления слабых оптических сигналов. Усиление в них достигается за счет инверсии среды и вынужденного излучения. Однако этот способ несмотря на широкое применение имеет недостатки. Прежде всего в этих усилителях возникают спонтанные оптические шумы, обусловленные созданием инверсии населенностей. Причем эти шумы тем больше, чем больше инверсия населенностей.

Вместе с тем известен другой способ усиления оптического сигнала [2] в световоде, основанный на явлении самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ) [1-2]. При этом ОРСВ в световоде могут быть следующие [1, 2]. 1) Волны в соседних различных жилах этого световода, в этом случае распределенная связь между ними является туннельной связью; каждая из ОРСВ распространяется вдоль своей жилы световода и обменивается энергией с другими. 2) Волны различных поляризаций, если оптический волновод обладает двулучепреломлением и/или оптической и/или магнитооптической активностью. 3) Различные моды в неоднородном оптическом световоде. 4) Волны на различных частотах. 5) Волны при брэгговской дифракции. Условия самопереключения ОРСВ сформулированы в [1-2].

Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения в оптическом волоконном световоде [2] осуществляется с помощью нелинейно-оптического световода, изготовленного с возможностью распространения в нем по меньшей мере двух оптических однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ), в котором существенную роль играет нелинейное взаимодействие этих однонаправленных распределенно-связанных волн, и выполнены условия для самопереключения оптической энергии между ними, причем на входе световода варьируют интенсивность или фазу хотя бы одной из этих ОРСВ, а на выходе световода разделяют участвующие в переключении ОРСВ. Этот способ и устройство для его осуществления имеют ряд преимуществ по сравнению со способом и устройством усиления в эрбиевых усилителях [3]: отсутствие оптических шумов, связанных со спонтанной эмиссией; возможность отстройки от шумов и помех в линиях оптической связи и локации [5], многофункциональность и т.д. [6].

Этот способ и устройство для его осуществления являются наиболее близкими к предлагаемым в настоящей заявке способу и устройству и выбраны в качестве прототипа. Однако и они имеют недостатки, понятные из приведенных ниже пояснений.

Для возникновения этого явления и осуществления этого способа необходимо, чтобы среда, в которой распространяются ОРСВ, обладала оптическая нелинейностью, а суммарная мощность (интенсивность) ОРСВ на входе должна быть выше некоторой пороговой входной мощности (интенсивности) переключения. Величина этой пороговой мощности обратно пропорциональна величине оптической нелинейности жилы или жил световода. Наибольший интерес этот способ обычно представляет непосредственно в области самопереключения ОРСВ, например когда мощность (интенсивность) хотя бы одной из ОРСВ на входе световода близка к так называемой критической мощности (интенсивности). Критическая мощность несколько больше пороговой мощности и также обратно пропорциональна величине нелинейного оптического коэффициента и/или оптической нелинейности жилы или жил световода.

Способ и устройство для его осуществления, выбранные в качестве прототипа, имеют недостаток, заключающийся в том, что оптическая нелинейность световода обычно мала, и поэтому пороговая входная мощность переключения, необходимая для осуществления способа, является большой. Большой является и критическая интенсивность. Так в экспериментах, описанных в [2], в которых впервые в мире был реализованы этот способ и устройство для его осуществления, пороговая интенсивность и критическая интенсивность составляли порядка 1-10 ГВт/см² . Пороговая мощность и критическая мощность составляли порядка 100-1000 Вт [2].

Чем больше оптическая нелинейность жилы или жил световода, тем при меньшей входной мощности возникает явление самопереключения оптического излучения и при меньшей входной мощности можно осуществить способ переключения и усиления.

Иными словами, для снижения пороговой входной мощности переключения требуется световод с большой оптической нелинейностью.

Вместе с тем известно, что наибольшие оптические нелинейности достигаются в области резонанса. То есть когда несущая частота хотя бы одной из взаимодействующих волн в среде близка к частоте резонансного перехода между энергетическими уровнями среды. Иными словами, когда длина хотя бы одной из взаимодействующих волн близка к длине волны резонансного перехода между энергетическими уровнями среды. Обозначим этот резонансный переход, т.е. переход между энергетическими уровнями 1 (нижним) и 2 (верхним) как 1 2, или обратный переход (в случае инверсии населенностей) как 2 1. Однако в области резонанса велико и поглощение излучения. Это поглощение велико в том случае, если среда находится в обычном, не инверсном состоянии и происходят переходы 1 2. Если же среда находится в состоянии инверсии, то поглощение будет отсутствовать или даже сменится на усиление (если происходят вынужденные переходы 2 1). Такое состояние инверсии как раз и имеет место в эрбиевых усилителях, иттриевых усилителях и других усилителях на основе легированных редкоземельными элементами волоконных световодов. Например, в эрбиевых усилителях усиление оптического излучения происходит на переходе между энергетическими уровнями ⁴I_13/2 ⁴I_15/2 (в общем случае, его можно назвать переходом между уровнями 2 1), а инверсия между ними создается по классической трехуровневой схеме [3] за счет диодной накачки. Важно подчеркнуть, что для наших целей инверсия населенностей не требуется. Достаточно, чтобы инверсия была нулевой или немного превышала ноль, компенсируя при этом неизбежные оптические потери. Иными словами, среда должна быть просветленной. Для этого относительная населенность верхнего метастабильного уровня 2 может быть лишь 50% или чуть выше. Это просветление или слабая инверсия населенностей достигаются, как и в случае EDFA, за счет диодной накачки (поступающей в торец световода), например, на длине волны 980 нм или 1450 нм. Такой режим позволяет уменьшить мощность излучение накачки от лазерного диода. Усиление - дифференциальное - оптического сигнала будет достигаться за счет эффекта самопереключения ОРСВ. Т.е. мощность лазерной диодной накачки может быть равна пороговой или быть чуть выше пороговой. При этом населенности уровней 2 и 1 равны или населенность уровня 2 чуть выше населенности уровня 1.

Технические результаты, достигаемые благодаря изобретению, заключаются в существенном снижении пороговой входной мощности переключения и критической мощности с одновременным повышением дифференциального коэффициента усиления (т.е. чувствительности устройств), а также достижение компактности и надежности устройства. Кроме того, техническим результатом изобретения является улучшение возможности управления процессом переключения и модуляции оптического излучения.

В предлагаемом способе переключения указанные технические результаты достигаются благодаря тому, что в способе переключения, усиления и модуляции оптического излучения в нелинейном световоде, изготовленном с возможностью распространения в нем по меньшей мере двух оптических однонаправленных распределенно-связанных волн (ОРСВ), при котором существенную роль играет нелинейное взаимодействие этих однонаправленных распределенно-связанных волн и выполнены условия для самопереключения оптической энергии между ними, причем на входе световода варьируют интенсивность или фазу хотя бы одной из этих ОРСВ, а на выходе световода разделяют участвующие в переключении ОРСВ, световод легируют ионами редкоземельных элементов и/или частицами полупроводников, длину волны по меньшей мере одной из ОРСВ выбирают близкой к средней длине волны перехода между энергетическими уровнями 2 1 редкоземельного элемента и/или частицы полупроводника, а именно отличающейся от средней длины волны этого перехода не более чем на 10%, и с помощью оптической накачки устраняют или уменьшают или делают отрицательными оптические потери по меньшей мере одной из ОРСВ в интервале длин волн, который соответствует средней длине волны и ширине перехода между энергетическими уровнями 2 1 редкоземельного элемента и/или полупроводниковой частицы (при распространении ОРСВ вдоль указанного световода) и тем устраняют, или уменьшают, или делают отрицательными суммарные оптические потери ОРСВ в этом нелинейно-оптическом световоде. Под суммарными потерями ОРСВ понимаются суммарные потери мощности (энергии) всех ОРСВ в этом нелинейно-оптическом световоде, т.е. к моменту достижения ими выхода этого световода.

Как правило, несущие частоты ОРСВ, и следовательно, длины ОРСВ совпадают. Фраза о том, что «длину волны по меньшей мере одной из ОРСВ выбирают близкой к средней длине волны перехода» подразумевает случаи, когда несущие частоты ОРСВ, и следовательно, длины ОРСВ различаются. Такая ситуация имеет место в условиях нелинейного взаимодействия ОРСВ на различных частотах, например в условиях преобразования частоты, генерации второй гармоники, параметрического усиления, трехчастотного взаимодействия и четырехчастотного взаимодействия. Но и в случае трехчастотного и четырехчастотного взаимодействия в принципе можно подобрать длины одновременно двух, трех и даже четырех ОРСВ близкими к длинам волн резонансных переходов материала световода. Такой подбор позволяет дополнительно увеличить оптическую нелинейность световода для выбранных ОРСВ и улучшить технические результаты, достигаемые благодаря изобретению.

Возможно, например, изготовление световода, легированного тремя редкоземельными элементами или частицами трех видов полупроводников. Каждая легирующая примесь имеет свой резонансный переход. В этом световоде могут распространяться и взаимодействовать три ОРСВ, имеющие различные частоты ₁, ₂, ₃, такие что ₃= ₁+ ₂ (т.е. речь идет о квадратично-нелинейном взаимодействии ОРСВ). Причем каждая из частот соответствует своему резонансному переходу (т.е. своему редкоземельному элементу или своему виду полупроводника, частицами которого легирован световод). При этом максимально повышается нелинейный коэффициент световода (в данном случае - квадратичный, а не кубичный). А комбинированная оптическая накачка (скажем от трех лазерных диодов), содержащая излучения на трех различных частотах (т.е. имеющая три различные длины волны), позволяет (путем соответствующего выбора частот) уменьшить, или устранить, или сделать отрицательными потери на каждой из этих частот и тем самым уменьшить, или устранить, или сделать отрицательными суммарные потери ОРСВ в этом нелинейно-оптическом световоде.

Указанное отклонение длины хотя бы одной из ОРСВ не более чем на 10% от средней дины волны перехода связано со следующими соображениями. Во-первых, переход между энергетическими уровнями имеет некоторую ширину и под длиной волны перехода следует понимать некоторую среднюю длину волны перехода. Например, для ионов эрбия переход ⁴I_13/2 ⁴I_15/2 имеет ширину примерно 50 нм (в пересчете на длину волны), а средняя длина волны перехода составляет примерно 1545 нм. Таким образом, ширина перехода составляет примерно 3% от средней длины волны перехода. В принципе возможны случаи и более широких переходов между энергетическими уровнями легирующей примеси. Во-вторых, влияние резонансного увеличения оптической нелинейности, а вместе с ней и резонансного поглощения может проявляться даже при заметном отклонении длины волны излучения от длины волны резонансного перехода. Оценки и расчеты показывают, что влияние этого резонансного перехода на нелинейный коэффициент световода и величину поглощения может быть существенным, если длина хотя бы одной из ОРСВ отклоняется от средней длины волны перехода не более чем на 10%.

Световод выполняется, как правило, волоконным на основе кварцевого стекла (плавленого кварца). Он может быть выполнен на основе кварца или многокомпонентного стекла. Световод может быть выполнен и на основе фотонных кристаллов.

Излучение накачки обычно вводится в световод через его торец, но в некоторых случаях оно может подаваться в световод через его боковую поверхность.

В качестве оптической накачки обычно применяется лазерная диодная накачка, т.е. оптическая накачка от полупроводниковых лазерных диодов или полупроводниковых лазеров. Как правило, для оптической накачки используется, по меньшей мере, один полупроводниковый лазерный диод (полупроводниковый лазер). В принципе, можно использовать оптическую накачку от полупроводниковых светодиодов. Оптическое излучение накачки в принципе может влиять на условие самопереключения ОРСВ, но при определенных условиях этим влиянием можно пренебречь (см. ниже вариант осуществления изобретения). Если же оптическая накачка существенно влияет на процесс самопереключения ОРСВ в световоде, то оптическую накачку можно рассматривать как ОРСВ. С использованием этого влияния в некоторых случаях предлагаемый способ может осуществляться путем варьирования мощности оптической накачки, подаваемой в световод. Такой вариант способа можно использовать для модуляции мощности излучения на выходе предлагаемого устройства путем слабой модуляции мощности оптической накачки, подаваемой в световод.

Разумеется, световод может быть легирован не одним редкоземельным элементом, а двумя или даже большим количеством редкоземельных элементов. В этом случае длина хотя бы одной из ОРСВ должна быть близка к средней длине волны перехода между энергетическими уровнями хотя бы одного из видов легирующей примеси. Аналогично световод может быть легирован не только одним видом частиц полупроводника, а он может быть легирован двумя или даже большим количеством видов частиц полупроводника. В этом случае длина хотя бы одной из ОРСВ должна быть близка к средней длине волны перехода между энергетическими уровнями хотя бы одного из видов легирующей примеси. В качестве критерия близости длины волны можно принять указанные выше 10% от средней длины волны перехода. Возможен также случай световода, легированного как ионами редкоземельных элементов, так и частицами полупроводника, причем легирующие примеси могут включать разные редкоземельные элементы и разные полупроводники.

Степень легирования жил световода обычно составляет от 10¹⁸ см ^-3 до 10¹⁹ см^-3 .

Мощность оптической накачки обычно составляет 10-100 мВт.

Для осуществления способа большая инверсия не нужна, и поэтому населенность верхнего уровня, как правило, не превышает 60%. Представляет интерес еще меньшая населенность верхнего уровня, которая не превышает 55% и даже 51%, ибо при уменьшении инверсии уменьшаются спонтанные шумы, характерные для эрбиевых усилителей. Для предлагаемого способа переключения, усиления и модуляции инверсия вообще не является необходимой, так как дифференциальное усиление достигается за счет переключения ОРСВ. Поэтому достаточно, чтобы населенность верхнего уровня составляла 50%. Теоретически она может быть еще меньше, например 49% (в этом случае положительные потери не нарушат явление самопереключения ОРСВ, хотя и ухудшат его).

В важном частном случае в качестве легирующих ионов редкоземельных элементов используются ионы эрбия (Er) и/или иттербия (Yb). В этом случае устраняются оптические потери для ОРСВ или даже обеспечивается усиление их общей суммарной мощности в диапазоне длин волн от =1.4 мкм до =1.65 мкм. При этом излучение накачки обычно имеет длину волны 980 нм и/или 1480 нм.

В другом частном случае в качестве легирующих ионов редкоземельных элементов используются ионы празеодима (Pr) и/или неодима (Nd). В этом случае, как правило, устраняются оптические потери для ОРСВ в диапазоне длин волн от =1.250 мкм до =1.350 мкм. В случае легирования световода ионами неодима накачка перехода 2 1 осуществляется по четырехуровневой схеме.

Световод может быть легирован не только ионами редкоземельных элементов, но и частицами полупроводников, которые обладают большой оптической нелинейностью, особенно вблизи резонанса. В качестве таких полупроводниковых частиц могут использоваться, например, нанокристаллы CdS _1-хSe_x.

Если ОРСВ представляют собой волны в соседних туннельно-связанных волноводах, то световод выполнен двужильным, или трехжильным, или многожильным.

Если ОРСВ представляют собой волны различных поляризаций, то световод выполнен двулучепреломляющим, и/или магнитоактивным, и/или оптически активным.

ОРСВ могут являться различными модами световода, взаимодействующими между собой. В этом случае световод, как правило, выполнен неоднородным.

В частном случае, в качестве переключаемых ОРСВ в световод вводится излучение в виде последовательности оптических солитонов. В этом случае, как правило, длина волны солитонов лежит в диапазоне от 1300 нм до 1650 нм.

Устройство для реализации предложенного способа переключения, усиления и модуляции оптического излучения содержит нелинейно-оптический световод, выполненный с возможностью распространения в нем по меньшей мере двух ОРСВ, и оптический элемент для разделения этих ОРСВ на выходе устройства, причем световод легирован ионами редкоземельных элементов и/или полупроводниковыми частицами и снабжен оптическим элементом для ввода в указанный световод оптической накачки.

Как правило, оптический элемент для ввода в указанный световод оптической накачки является оптическим элементом для ввода в указанный световод диодной накачки или лазерной диодной накачки.

Как правило, предлагаемое устройство снабжено по меньшей мере одним оптическим изолятором.

В важном частном случае световод легирован ионами эрбия и/или иттербия.

В другом частном случае световод легирован полупроводниковыми частицами, например нанокристаллами CdS_1-х Se_x.

Световод может быть выполнен двужильным или трехжильным или многожильным. В этом случае, как правило, существенную роль играет туннельная связь между волнами в различных жилах световода.

В другом частном случае световод выполняется двулучепреломляющем, или магнитоактивным, или оптически активным.

Световод может быть выполнен неоднородным для обеспечения взаимодействия различных волноводных мод в нем.

Оптический элемент для ввода излучения лазерной диодной накачки в указанный световод, как правило, содержит волновой мультиплексор или сам является волновьм мультиплексором.

Предлагаемое устройство может содержать, по меньшей мере, одну решетку Брэгга.

Изобретение поясняется графиками на фигурах 1, 2, построенными на основе математического моделирования явления самопереключения ОРСВ в световоде. На них показаны три кривые самопереключения: кривая 1 соответствует отрицательным потерям, т.е. случаю самопереключения двух ОРСВ в усилителе со слабой инверсией; кривая 0 - нулевым потерям; и кривая 2 - положительным потерям, равным по абсолютной величине потерям для кривой 1. По оси абсцисс отложена входная интенсивность, нормированная на критическую интенсивность для случая нулевых потерь [1]: RO=I₀₀/I _м. По оси ординат отложен коэффициент передачи мощности излучения нулевой волной: Т₀=I _0l/I₀₀. I₀₀ =I₀(z=0). I_0l=I ₀(z=l). l - длина световода. На фигуре 1 показано самопереключение двух ОРСВ при подаче на вход световода одной из ОРСВ (скажем, при вводе переключаемого излучения только в одну из жил световода, если ОРСВ представляют собой волны в двух туннельно-связанных жилах). В этом случае самопереключение происходит, если R0 1, R1=I₁₀/I_м =0. На фиг.2 рассмотрен другой режим самопереключения - самопереключение идентичных ОРСВ с близкими интенсивностями и равными фазами на входе: Rl=I₁₀/I_м=0.6 R0=0.6. Обозначения взяты из [1-2]: R0=I ₀₀/I_м, R1=I₁₀ /I_м, Iм=4К/| | - критическая интенсивность для случая нулевых потерь, К - коэффициент линейной распределенной связи (в случае двужильного световода - туннельной) между переключаемыми ОРСВ, - нелинейно-оптический коэффициент жилы световода, I _j0 - интенсивность j-й волны на входе световода, в случае двух жил j=0,1.

Из фигур 1 и 2 видно, что при отрицательном поглощении дифференциальный коэффициент усиления в точке самопереключения существенно увеличивается по сравнению со случаем нулевых потерь. При отрицательных потерях нормированная входная интенсивность, при которой происходит самопереключение ОРСВ, оказывается меньше 1. Т.е. критическая интенсивность меньше, чем критическая интенсивность для нулевых потерь и рассчитывается по формуле: I _м= ·4К/| |, где коэффициент <1. Кроме того, сам нелинейный коэффициент вблизи резонанса значительно возрастает и поэтому дополнительно снижает критическую интенсивность, т.е. входную интенсивность вблизи которой происходит самопереключение ОРСВ.

Аналогичные кривые самопереключения получаются и для других режимов самопереключения. Например, можно подать на одну из жил волну с интенсивностью, близкой к критической R0 1, а на вход другой жилы слабую волну R1 0. В общем случае [1, 2] интенсивности и фазы ОРСВ в световоде и на выходе световода описываются эллиптическими функциями, и условие их самопереключения определяется из следующего условия: модуль (r) эллиптической функции (через которую выражаются выходные интенсивности ОРСВ) должен быть близок к единице: r 1 [1, 2]. Именно из этого условия находятся параметры подаваемых на вход волн (ОРСВ), необходимые для данного способа переключения.

Приведем вариант осуществления изобретения. Использовался двужильный волоконный световод на основе плавленого кварца с расстоянием между жилами порядка 10 мкм, диаметр каждой жилы составлял примерно 3 мкм. Как известно [3], диаметр жилы волокна легированного эрбием меньше, чем для обычного одномодового волокна (для которого диаметр жилы примерно 9 мкм). Жилы в сочетании с общей оболочкой образовывали одномодовые (на длине волны =1550 нм) волноводы, туннельно-связанные между собой на этой длине волны. Длина одной перекачки энергии между жилами на длине волны =1550 нм составляла 5 м. Длина световода составляла 15 м. Таким образом, на длине световода укладывалось примерно 3 линейных перекачки мощности между жилами. Степень легирования жил световода ионами эрбия составляет 0.5·10 ¹⁹ см^-3. Оптическая накачка представляла собой лазерную диодную накачку с длиной волны 980 нм: излучение накачки от полупроводникового лазера вводилось в обе жилы световода с помощью волнового мультиплексора. Излучение на длине волны 1550 нм вводилось в одну из двух жил световода, и его входная мощность составляла примерно 100 мВт, т.е. была существенно меньше, чем в упомянутых выше первых в мире экспериментах [2]. Населенность верхнего уровня перехода 2 1 составляла 55%. Малое изменение порядка 0.05 мВт мощности оптического сигнала (на длине волны 1550 нм) на входе одной жилы световода вызывало на выходе каждой жилы гораздо большее по величине изменение мощности (на длине волны 1550 нм), составляющее по величине около 100 мВт. Причем изменение мощности на выходе жил происходило в противофазе: на выходе одной жилы мощность увеличивалась, а на выходе другой жилы - уменьшалась на ту же величину. Таким образом, дифференциальный коэффициент усиления оптического сигнала составлял около 2000.

Отметим, что коэффициент связи ОРСВ переключаемого между жилами излучения на длине волны 1550 нм значительно больше коэффициента связи (между этими же жилами) излучения на длине волны диодной накачки. Это обусловлено тем, что длина волны (980 нм) излучения диодной накачки значительно меньше, и поэтому коэффициент распределенной (в данном случае - туннельной) связи между жилами для излучения диодной накачки пренебрежимо мал [1, 2]. Поэтому излучение диодной накачки в переключении не участвовало.

Хотя рассмотрен конкретный случай самопереключения излучения, множество других режимов самопереключения излучения, описанных в [1-2], также реализуются аналогично.

Литература.

1. А. А. Майер. Оптическое самопереключение однонаправленных распределенно-связанных волн. УФН, 1995, т.165, №9, с.1037-1075

2. А.А. Майер. Экспериментальное наблюдение явления самопереключения однонаправленных распределенно-связанных волн. УФН, 1996, т.166, №11, с.1171-1196.

3. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы. Под ред. С.А.Дмитриева, Н.Н.Слепова. Издательство Connect, Москва 2000.

4. А.С.Курков, О.Е.Наний. LightWave, Russian Edition, Nol, p.14, 2003.

5. А.А.Майер. Способ передачи информации в системах оптической связи. Патент РФ №2246177.

6. Е.С.Новиков, А.А.Майер. Оптический транзистор и его применение. Морская радиоэлектроника №1, март 2006, стр.40-43.