Перестраиваемый оптический фильтр

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Гончаренко Игорь Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Перестраиваемый оптический фильтр, содержащий два замкнутых оптических резонатора, первый их которых оптически связан с входным волноводом, второй - с выходным волноводом, электроды, электрически соединенные с блоком управления,отличающийся тем, что содержит волноведущий элемент, расположенный между первым и вторым замкнутыми оптическими резонаторами и оптически связанный с ними,причем участки первого и второго резонаторов, свободные от оптического взаимодействия, с внешней стороны последовательно электрически соединены с буферными элементами и электродами, электрически соединенными с блоком управления, а с внутренней стороны - с буферными элементами и электродами, электрически соединенными с общей заземляющей шиной, при этом волноведущий элемент выполнен с оптическими зеркалами на концах и оптически связан с источником оптического управляющего сигнала, электрически соединенным с блоком управления. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй резонаторы выполнены из полупроводникового материала. 3. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что оптические зеркала в волноведущем элементе выполнены брэгговскими. 4. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что буферные элементы с внешней стороны выполнены из полупроводникового материала -типа, а с внутренней стороны - из полупроводникового материала -типа. 11409 1 2008.12.30 Предлагаемое изобретение относится к области интегральной оптики и может использоваться для построения быстродействующих узлов селекции сигналов по длинам волн в системах оптической связи, спектрального анализа излучений в оптических каналах в реальном масштабе времени. Известно устройство 1, состоящее из первого, второго и третьего перестраиваемых щелевых фильтров, первый и второй перестраиваемые щелевые фильтры оптически связаны последовательно друг с другом и параллельно оптически связаны с третьим перестраиваемым щелевым фильтром, при этом второй перестраиваемый щелевой фильтр адаптирован для пропускания сигналов, отраженных от первого перестраиваемого щелевого фильтра, третий перестраиваемый щелевой фильтр принимает сигналы, отраженные от первого и второго перестраиваемых щелевых фильтров, причем перестраиваемые щелевые фильтры выполнены либо как интерферометры Фабри-Перо, либо как объемные дифракционные решетки, либо как интерферометры Маха-Цендера. Данное устройство имеет низкий контраст и низкое быстродействие, так как содержит протяженные оптические элементы, которые наряду с прямыми оптическими связями охвачены обратными оптическими связями, что приводит к увеличению времени переключения устройства. Наиболее близким по технической сущности является перестраиваемый оптический фильтр, состоящий из диэлектрической пластины и первого кольцевого оптического резонатора, оптически связанного с источником электромагнитной энергии, при этом диэлектрическая пластина, расположенная вблизи первого кольцевого оптического резонатора,содержит второй кольцевой оптический резонатор, и в результате управляемого движения диэлектрической пластины зазор между ней и первым кольцевым оптическим резонатором, а следовательно, и коэффициент связи первого и второго кольцевых оптических резонаторов, изменяется, при этом диэлектрическая пластина через электроды соединена с блоком управления. Данное устройство обладает низким быстродействием перестройки из-за механического перемещения резонаторов друг относительно друга и тем самым ограниченными функциональными возможностями его использования. Техническая задача - повышение быстродействия при одновременном расширении функциональных возможностей. Поставленная техническая задача решается тем, что в перестраиваемый оптический фильтр, содержащий два замкнутых оптических резонатора первый из которых оптически связан с входным волноводом, второй - с выходным волноводом, электроды, электрически соединенные с блоком управления, отличающийся тем, что содержит волноведущий элемент, расположенный между первым и вторым замкнутыми оптическими резонаторами и оптически связанный с ними, причем участки первого и второго резонаторов, свободные от оптического взаимодействия, с внешней стороны последовательно электрически соединены с буферными элементами и электродами, электрически соединенными с блоком управления, а с внутренней стороны - с буферными элементами и электродами, электрически соединенными с общей заземляющей шиной, при этом волноведущий элемент выполнен с оптическими зеркалами на концах и оптически связан с источником оптического управляющего сигнала, электрически соединенным с блоком управления. Для эффективного решения поставленной технической задачи первый и второй резонаторы выполнены из полупроводникового материала. Для эффективного решения поставленной технической задачи оптические зеркала в волноведущем элементе выполнены брэгговскими. Для эффективного решения поставленной технической задачи буферные элементы с внешней стороны выполнены из полупроводникового материала -типа, а с внутренней стороны - полупроводникового материала -типа. 2 11409 1 2008.12.30 Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет исключения механического перемещения замкнутых оптических резонаторов друг относительно друга. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена схема расположения элементов заявляемого устройства, где 1 - входной волновод 2 - буферные элементы,3 - электроды 4 - волноведущий элемент 5, 7 - первый, второй замкнутые оптические резонаторы, 6 - блок управления 8 - выходной волновод 9, 10 - оптические зеркала, 11 - источник оптических управляющих сигналов. В заявленном устройстве входной волновод 1 оптически связан с первым замкнутым оптическим резонатором 5, который через две электрически последовательно соединенные цепочки буферные элементы с внешней стороны 2 - электроды 3 электрически подключен к блоку управления 6, а также через две электрически последовательно соединенные цепочки буферные элементы с внутренней стороны 2 - соответствующие электроды 3 электрически подключен к заземляющей шине. Первый замкнутый оптический резонатор 5 оптически связан через волноведущий элемент 4 со вторым замкнутым оптическим резонатором 7, который через две электрически последовательно соединенные цепочки буферные элементы с внешней стороны 2 - соответствующие электроды 3 электрически подключен к блоку управления 6, а также через две электрически последовательно соединенные цепочки буферные элементы с внутренней стороны 2 - соответствующие электроды 3 электрически подключен к заземляющей шине. Второй замкнутый оптический резонатор 7 оптически связан с выходным волноводом 8. Волноведущий элемент 4 оптически связан с источником оптических управляющих сигналов 11, который электрически соединен с блоком управления 6. В конкретном исполнении входной 1 и выходной 8 волноводы, первый 5 и второй 7 замкнутые оптические резонаторы - это планарные волноводы толщиной 0,5 мкм, при этом радиус поворота волноводов замкнутых оптических резонаторов равен 50 мкм. Волноводы выполнены методами вакуумного напыления и фотолитографического травления из . Буферные элементы с внешней стороны 2 - это выполненные методами интегральной технологии планарные слои из легированного -. Волноведущий элемент 4 - это также выполненный методами интегральной технологии планарный волновод изтолщиной 0,5 мкм с выполненными на его концах брэгговскими зеркалами 9, 10,представляющими собой наборы вытравленных штрихов с периодом следования 0,22 мкм,и глубиной 0,2 мкм. Электроды 3 - это тонкопленочные проводники, выполненные по интегральной технологии из алюминия. Буферные элементы с внутренней стороны 2 - это выполненные методами интегральной технологии планарные слои из легированного . Омические контакты всех электродов к буферным элементам выполнены вакуумным напылением, как в 3. Блок управления 6 - реализован на основе микропроцессорной элементной базы с интерфейсными согласующими элементами. Источник оптических управляющих сигналов 11 - это полупроводниковый лазер, состыкованный с волноводным элементом 4. Перестраиваемый оптический фильтр работает следующим образом. Оптическое излучение в широком спектральном диапазоне частот поступает во входной волновод 1, и часть этого излучения, определяемая коэффициентом связи входного волновода 1 с первым замкнутым оптическим резонатором 5, ответвляется в него на прямом участке. Первый 5 и второй 7 замкнутые оптические резонаторы оптически связаны через волноводный элемент 4 и, таким образом, представляют собой связанный составной замкнутый оптический резонатор. Как известно 4, в связанных замкнутых оптических резонаторах происходит расщепление собственных резонансных частот отдельных резонаторов на две резонансные частоты 11409 1 2008.12.30 где А - величина расщепления, пропорциональная коэффициенту связи между замкнутыми первым 5 и вторым 7 оптическими резонаторами, 0 - собственная резонансная частота отдельно первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов, определяемая выражением 220 эф- целое число,- оптическая длина первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов,- геометрическая длина первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов, эф - эффективный показатель преломления волноводов первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов, с - скорость света в вакууме. При подаче от источника оптических управляемых сигналов 11 сигнала необходимой мощности в волноведущий элемент 4 возникает сильная оптическая связь между замкнутыми оптическими резонаторами 5 и 7. Поэтому в выходном волноводе 8 появится только оптическое излучение на частотах 1 и 2. Изменяя амплитуду оптических управляемых сигналов поступающих в волноведущий элемент 4, можно изменять разность частоты 1 - 2 за счет изменения коэффициента связи между первым 5 и вторым 7 замкнутыми оптическими резонаторами. Чем больше коэффициент связи, тем больше разница между частотами 1 и 2. Изменяя собственные резонансные частоты 0 в отдельности первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов и при наличии между ними коэффициента связи, отличного от нуля, получим новые значения частот 1 и 2. Таким образом, установление нужных фильтрующих частот в заявляемом устройстве осуществляется за счет изменения коэффициента связи между первым 5 и вторым 7 замкнутыми оптическими резонаторами (т.е. изменения величины А), а также за счет перестройки собственных резонансных частот 0 первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов (см. выражение (1. Изменение шага (интервала) фильтрации частот осуществляется за счет изменения коэффициента связи между первым 5 и вторым 7 замкнутыми оптическими резонаторами. А изменение коэффициента связи между замкнутыми оптическими резонаторами 5 и 7 осуществляется путем изменения показателя преломления волноведущего элемента 4 за счет нелинейных оптических эффектов, обусловленных зависимостью оптических параметров среды от интенсивности света. Для этого на вход волноведущего элемента 4 по сигналу из блока управления 6 подается требуемое оптическое излучение от источника оптических управляющих сигналов 11 на частоте упр, отличной от 0. Волноведущий элемент 4 с оптическими зеркалами 9, 10 представляет собой волноводный оптический резонатор Фабри-Перо. Если для волноведущего элемента 4 выполняется выражение, аналогичное (2), то оптическое излучение с частотой упр, распространяясь вдоль волноведущего элемента 4, отражаясь от первого и второго оптических зеркал 9, 10, накапливается в таком резонаторе. В результате амплитуда (интенсивность) оптического излучения увеличивается. Мощное оптическое излучение приводит к нелинейному изменению показателя преломления волноведущего элемента 4. В результате изменяется коэффициент связи между первым 5 и вторым 7 замкнутыми оптическими резонаторами (величина А меняется на величину А 1), и при связи больше критической оба замкнутых оптических резонатора 5 и 7 представляют собой один связанный замкнутый оптический резонатор 4. Дополнительное изменение резонансных частот 1 и 2 осуществляется за счет перестройки в отдельности резонансных частот 0 первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов. Для этого на электроды 3, расположенные с внешней стороны замкнутых оптических резонаторов, из блока управления 6 подаются управляющие напряжения относительно электродов 3, расположенных с внутренней стороны замкнутых оптических резонаторов и подключенных к заземляющей шине, которые через буферные элементы с внешней стороны 2 и буферные элементы с внутренней стороны 2 поступают в объем полупроводниковых материалов, из которых выполнены первый 5 и 4 11409 1 2008.12.30 второй 7 замкнутые оптические резонаторы. В результате в волноводах первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов изменяются концентрация носителей зарядов и,следовательно, показатели преломления этих волноводов. Как следствие резонансные частоты первого 5 и второго 7 замкнутых оптических резонаторов переходят со значений частоты 0 на 01. Поэтому из входного оптического излучения в широком спектральном диапазоне, поступающего на входной волновод 1, на выходной волновод 8 в данном случае будут поступать частоты(3) 3011 и 401 - 1. Таким образом, в предлагаемом устройстве имеются параметры, изменяющие частотные характеристики пропускания устройства напряжение между соответствующими электродами 3, а также интенсивность излучения с выхода источника оптических управляющих сигналов 11. При дальнейшем изменении величины оптического управляющего сигнала, а также электрического напряжения между соответствующими электродами полоса пропускания устройства смещается на частоты 5 и 6, определяемые выражением,аналогичным выражению (3), где величина А 1 меняется на величину А 2, а частота 01 - на 02. Таким образом, меняя величину управляющего оптического сигнала и величину напряжения между электродами, можно осуществлять непрерывную перестройку полосы пропускания устройства, т.е. последовательно просканировать всю полосу частот входного оптического излучения, попадающего на входной волновод 1. При этом сканирование ведется одновременно на двух частотах, определяемых выражением (1). Так как постоянная времени электрооптического эффекта лежит в пикосекундном диапазоне, то быстродействие предлагаемого устройства на несколько порядков превосходит быстродействие прототипа, основанного на механическом перемещении оптических кольцевых резонаторов друг относительно друга. Предлагаемое устройство позволяет осуществлять как непрерывное сканирование оптического спектра, так и переключение спектральных каналов, что расширяет его функциональные возможности. Источники информации 1. Патент США 7099529. 2. Патент США 7043115. 3.,.С., . // . . . - 1979. - . 50. - Р. 951. 4. Калитиевский // Журнал технической физики. - 1998. - .68. -5. - . 94-97. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5