Фотонная логика на основе нелинейных оптических явлений

Сочетание принципов нелинейной и интегральной оптики позволяет создавать новые онтические устройства, аналогичные применяемым в электронной технике: оптические транзисторы, переключатели, логические устройства. Их работа основана на нелинейных свойствах материалов волновода. Большинство устройств выполнено на основе интерферометров Маха - Цандлера и направленных ответвителей.

Оптическое волноводное логическое устройство выполнено на основе интерферометра Маха - Цандлера на одномодовых волноводах, имеющего плечи разной длины. Мощность на выходе интерферометра является квазипериодической функцией входной мощности и зависит от начальной разности фаз волноводных мод в плечах интерферометра. При последовательном включенных трех таких интерферометров нелинейные свойства волноводов усиливаются с увеличением числа соединяемых интерферометров. Такое устройство может служить основой для построения полностью оптических логических элементов, выполняющих практически все основные логические операции.

Интересные возможности для создания оптических логических элементов открывают туннельно-связанные кубически-нелинейные оптические волноводы, в которых может происходить самопереключение света. Суть этого явления в том, что если в один из одинаковых одномодовых волноводов ввести свет определенной интенсивности, то малые изменения мощности на входе вызывают переключение мощности света на выходе из одного волновода в другой. Время переключения связанных волноводов определяется лишь временем пробега света по волноводам и меньше времени переключения устройств на основе резонатора Фабри - Перо, равного времени установления колебаний в резонаторе.

Оптически связанные волноводы могут осуществлять резкий переброс мощного излучения с выхода одного волновода на выход другого малым изменением мощности света другой частоты, поданного на вход одного из кубически-нелинейных волноводов. Это может позволить преобразоать с большим усилением модулированное излучение маломощного лазера в модулированное излучение мощного лазера, работающего на другой частоте.

Широкие возможности применение устройств оптической логики на основе полупроводниковых материалов открывает для разработки полностью оптических компьютеров, все операции которых осуществляются только световыми сигналами с оптическим управлением при использовании эффекта оптической бистабильности и нелинейных взаимодействий. Основные элементы фотонной логики могут быть реализованы на InSb, GaAlAs, СиСl, СdS; они могут действовать с высоким усилением (до 10⁴) при низких уровнях входной мощности, и для их коммутации могут применяться как когерентные, так и некогерентные источники света. За счет комбинации в одном полупроводниковом кристалле нескольких оптических бистабильных элементов разработаны схемы полностью оптических осцилляторов и усилителей, а также двумерных систем параллельной обработки информации. На кристалле размером 1х1 см может быть создана решетка из 10⁴ оптических элементов.

Продолжаются разработка устройств обработки информации на основе нелинейного взаимодействия световых волн в оптических волноводах, приводящего к генерации второй гармоники и параметрическим колебаниям. На этом принципе работает скоростной аналого-цифровой конвертер с временами разрешения до нескольких десятых пикосекунды. Излучение лазера, работающего в режиме синхронизации мод, делится на два пучка и вводится с помощью призменных устройств связи в волновод, образованный диффузией титана в кристалле ниобата лития. Ввод излучения в волновод выполнен так, чтобы возбужденные каждым из пучков поверхностные световые волны распространялись навстречу друг другу. Излученный перпендикулярно поверхности волновода свет с длиной волны 0,53 мкм, возникающий вследствие генерации второй гармоники при нелинейном взаимодействии поверхностных волн в волноводе, проходит фурье-фильтр, спектральный фильтр и регистрируется линейкой из 111 малошумящих фотодетекторов.

Еще одна возможность обработки оптических сигналов возникает при их нелинейном взаимодействии в кристалле, приводящем к модуляции коэффициента преломления и возникновению голографических решетчатых структур. Разработана схема устройства оптического процессора, принцип работы которого основан на нелинейном взаимодействии нескольких световых пучков в нелинейном кристалле. Индуцированный светом электрический заряд нелинейного кристалла приводит к пространственной модуляции коэффициента преломления, в результате чего выходящий из кристалла световой пучок при определенных условиях представляет собой корреляционную функцию падающих на кристалл пучков. Пространственную модуляцию одного из входных пучков осуществляли отражательным жидкокристаллическим модулятором, что позволило проводить корреляционную обработку изображений.

Дата добавления: 2014-01-15