Способ спектрально-селективного преобразования мод оптического излучения в волноводе и устройство для его реализации - RU2234723C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к волноводной оптике, к устройствам управления параметрами электромагнитного излучения, распространяющегося в волноводе.

В простейшем случае диэлектрический волновод состоит из сердцевины и оболочки, причем показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки /1, 2/. Свойства волновода слабо изменяются вдоль одного или двух пространственных направлений для линейных и планарных волноводов, соответственно. Эти направления называются осями (осью) волновода. Если свет падает под достаточно пологим углом на границу раздела оболочки и сердцевины из последней, то происходит полное внутреннее отражение света, удерживающее его вблизи сердцевины. Благодаря этому в оптическом волноводе могут распространяться одна или несколько волноводных мод излучения, которые локализованы вблизи сердцевины волновода (на расстоянии порядка длины волны) и не излучаются вовне.

Каждая мода характеризуется гармонической зависимостью от времени t и пространственной координаты z вдоль оси волновода. Для волноводной моды гармоническая зависимость вектора электрического поля

от этих переменных выражается формулой

где β - постоянная распространения моды, ω - циклическая частота, j обозначает мнимую единицу. Вместо циклической частоты ω используются также однозначно связанные с ней обычная частота ν=ω/2π, волновое число в свободном пространстве k=ω/c и длина волны в свободном пространстве λ=2π/k=2πc/ω. Поэтому, когда говорят о длине волны волноводной моды, это обычно означает длину волны λ в свободном пространстве, вычисленную из частоты моды по приведенной формуле, в то время как пространственная периодичность моды вдоль оси волновода характеризуется постоянной распространения β /1, 2/.

Частота ω и постоянная распространения β волноводной моды связаны т.н. дисперсионным уравнением /2/, зависящим от типа моды, а также от геометрии и оптических свойств волновода, которое в общем случае не имеет явного решения.

В частности, в двухслойном цилиндрическом оптоволокне, с показателями преломления сердцевины и оболочки n₁ и n₂ соответственно, при достаточно низких частотах (если параметр волновода

, где а - радиус сердцевины) существует единственная мода, обозначаемая НЕ₁₁ /1, 2/, которая при одинаковых значениях β и ω может обладать двумя различными круговыми поляризациями - правой и левой. В случае, когда волокно слабонаправляющее, то есть если n₁-n₂ <<1, приближенное решение дисперсионного уравнения дает зависимость k≈β/n₁.

Если оптоволокно строго однородно вдоль оси, то различные моды распространяются независимо, не переходя одна в другую. В случае, когда однородность волокна вдоль оси нарушена, различные волноводные моды, отличающиеся частотой, постоянной распространения или поляризацией, могут переходить одна в другую. Этот общий принцип широко используется для управления излучением, распространяющимся по оптоволокну. В частности, если однородность показателя преломления оптоволокна изменяется периодически вдоль его оси, это приводит к частотно-избирательной резонансной связи распространяющихся мод излучения. Связь двух мод излучения означает, что при введении в волновод одной моды она, по крайней мере, частично преобразовывается в другую. Для связи между волноводными модами необходимо, чтобы временные частоты этих мод совпадали, что предполагается всюду ниже. Связь между модами осуществляется при условии равенства периода биений между модами и периода изменений показателя преломления. Именно, если постоянная распространения одной моды есть β₁, а второй моды β₂, то резонансная связь между модами обеспечивается при выполнении соотношения /2/

где Λ есть период изменения показателя преломления вдоль оси волокна. Так как постоянные взаимодействия зависят от частоты э/м колебаний ν различным образом, то условие взаимодействия (1) можно рассматривать как уравнение, накладываемое на частоту ν при фиксированном типе волноводных мод. Это уравнение в общем случае выполняется лишь для конечного набора частот ν₁,...,ν_N. Это значит, что если в отрезок с Λ-периодически изменяющимся показателем преломления вводить одну из волноводных мод, плавно изменяя ее частоту, то эффективное взаимодействие мод будет происходить лишь вблизи частот ν₁,...,ν_N. Изменяя Λ, можно перестраивать этот набор частот.

Одним из важнейших применений резонансной связи мод является связь между модами, распространяющимися в противоположных направлениях, то есть спектрально-селективное отражение излучения в оптоволокне. В этом случае постоянные распространения равны по величине и противоположны по знаку, β₁=-β₂, и формула (1) принимает вид

Последняя формула совпадает с известным условием Брэгга-Вульфа /3/ для длины волны, отражаемой плоской слоистой структурой, при нормальном падении. Соответственно отрезки волокна с периодическим вдоль оси изменением показателя преломления, с периодом Λ, равным π/β, в литературе называются оптоволоконными решетками Брэгга (Fiber Bragg Grating) /4-9/. Если же с помощью периодических изменений показателя преломления в волокне реализована связь однонаправленных мод, то период изменения показателя преломления заведомо превышает длину волны 2π/β и такие устройства называются длиннопериодными оптоволоконными решетками Брэгга (Long-Period Fiber Bragg Grating) /10, 11/.

Известен способ спектрально-селективной связи волноводных мод электромагнитного излучения, распространяющихся в противоположном направлении в диэлектрическом волноводе, в результате которого достигается их частичное отражение. Способ состоит в том, что в отрезке волновода под действием внешнего излучения обеспечивается периодическое вдоль оси волновода изменение показателя преломления вещества сердцевины волновода с периодом Λ, что приводит к частичному отражению в обратном направлении волноводных мод с постоянной распространения

/4, 6/. Обычно периодическое вдоль оси изменение показателя преломления предварительно формируется в сердцевине оптоволокна из плавленого кварца, легированной бором и германием, с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения /5, 7-9/. На оптоволокно воздействуют стоячей волной ультрафиолетового (УФ) излучения, что формирует области с повышенным показателем преломления в местах расположения пучностей стоячей волны. Изменения показателя преломления в веществе сердцевины волновода сохраняются после прекращения УФ воздействия. Управление длиной волны световой моды, отражаемой в обратном направлении, осуществляется за счет изменения периода неоднородности показателя преломления Λ путем растяжения/сжатия волновода вдоль его оси с помощью внешнего механического напряжения /12-16/, или через управление температурой вещества волновода /17, 18/, или посредством приложения магнитного поля к веществу волновода /19/.

Недостатком известного способа является малый диапазон изменения длины волны отраженного излучения (10-15 нм), а также высокая чувствительность к механическим воздействиям (например, для изменения центральной длины диапазона отражения на 1,5 нм достаточно растягивать кварцевое оптоволокно диаметром 150 мкм с силой 20 гр) и к изменению температуры волновода (0,01 нм/°С).

Известно устройство для спектрально-селективного отражения световых волн, распространяющихся в оптоволокне (оптоволоконная решетка Брэгга). Оптоволоконная решетка Брэгга представляет собой отрезок оптоволокна, имеющего оболочку и сердцевину, причем сердцевина имеет периодически (с периодом решетки Λ) изменяющийся вдоль оси волокна показатель преломления /4, 6/. При этом центральной частоте спектрального диапазона отраженных волн соответствует длина волны λ, связанная с периодом решетки Λ соотношением

, где n - показатель преломления сердцевины волокна. Спектральная ширина диапазона отраженных волн определяется амплитудой периодических изменений показателя преломления сердцевины волокна. Последняя, в свою очередь, фиксируется при изготовлении устройства, когда отрезок оптоволокна из плавленого кварца, легированного бором и германием, помещается в стоячую волну УФ излучения высокой интенсивности, что приводит к увеличению показателя преломления волокна в областях расположения пучностей стоячей УФ волны. Относительное изменение показателя преломления легированного кварца пропорционально интенсивности УФ излучения. Центральная частота спектральной полосы отраженных волн может регулироваться в сравнительно узком интервале за счет управления температурой решетки и связанной с ней термической деформацией (диапазон перестройки не более 1-2 нм для длины волны 1,5 мкм /17, 18/) или же путем механического натяжения и сжатия волокна вдоль его оси (диапазон перестройки 10-20 нм для длины волны 1,5 мкм /12, 16/).

Недостатком известного устройства является узкая полоса перестройки (1-2 нм) центральной частоты отраженного света при температурном управлении центральной частотой, а также необходимость применения механических компонентов и связанная с этим чувствительность к вибрации при управлении центральной частотой отраженных волн методом сжатия/растяжения оптоволокна.

Известен способ преобразования однонаправленных световых мод с различной поляризацией, угловым порядком и локализацией (собственно волноводных мод, локализованных около сердцевины, и оболочечных мод /2, 11/, направляемых оболочкой за счет полного внутреннего отражения на границе оболочки с воздухом), распространяющихся в оптическом волноводе с различными постоянными распространения β₁ и β₂, заключающийся в формировании в сердцевине оптоволокна периодических вдоль оси волокна областей с повышенным показателем преломления /10, 11/. При этом разность постоянных распространения взаимодействующих мод β₁ -β₂ определяется периодом изменения показателя преломления Λ по формуле (1), то есть, для обеспечения взаимодействия мод период неоднородности показателя преломления должен совпадать с длиной биений указанных мод. Для создания периодических вдоль оси волокна изменений показателя преломления, как и для создания волоконных решеток Брэгга, используется эффект изменения показателя преломления плавленого кварца (SiO₂) при интенсивном облучении ультрафиолетом в спектральном диапазоне 200-300 нм /7-9/. Отрезок оптоволокна помещается в стоячую УФ волну. В местах расположения пучностей стоячей волны интенсивное УФ излучение вызывает увеличение показателя преломления кварца, которое сохраняется после снятия УФ излучения. Период изменения показателя преломления Λ определяется длиной волны УФ излучения и взаимным расположением стоячей волны и отрезка оптоволокна. Для увеличения УФ фоточувствительности кварц легируется ионами бора и германия.

Недостатком известного способа является высокая температурная чувствительность и ограниченные возможности управления периодом Λ (не более 4-5%), требующие механических систем приложения силы, а следовательно, чувствительные к вибрации.

Известно устройство для спектрально-селективной связи однонаправленных волноводных мод в оптоволокне (длиннопериодная решетка Брэгга), которое представляет собой отрезок оптоволокна, показатель преломления сердцевины которого периодически изменяется вдоль оси оптоволокна /10, 11/. При этом разность постоянных распространения взаимодействующих мод удовлетворяет условию (1). Связываемые моды могут отличаться частотой, поляризацией и радиальным порядком /2/. Кроме того, возможна связь собственно волноводных мод (локализованных в сердцевине волокна) с т.н. оболочечными модами, которые локализованы в оболочке за счет полного внутреннего отражения на границе оболочки с воздухом /11/. Длиннопериодные решетки Брэгга обычно формируются в оптоволокне за счет использования эффекта изменения показателя преломления плавленого кварца, легированного бором и германием, под действием УФ излучения, способом, описанным выше.

Недостатком известного устройства является сложность изменения периода решетки, необходимого для изменения спектрального диапазона взаимодействия мод. Изменение периода решетки требует прецизионного приложения механического усилия /12-16/ или поддержания заданной температуры волоконной решетки с высокой точностью /17/. Кроме того, для полного преобразования энергии одной моды в другую необходимо с высокой точностью контролировать как силу решетки - относительное изменение коэффициента преломления сердцевины - так и ее длину, что представляет сложную проблему при известных способах изготовления длиннопериодных волоконных решеток.

Известен способ спектрально-селективного преобразования оптических волноводных мод, состоящий в обеспечении распространения электромагнитного излучения в волноводе, по крайней мере частично выполненном из вещества со свойствами ориентированного нематического или смектического жидкого кристалла (ЖК) /20/. В смектических ЖК длинные палочкообразные молекулы расположены в плоских мономолекулярных слоях, причем молекулы ориентированы перпендикулярно плоскости слоев. Нематический жидкий кристалл состоит из длинных палочкообразных молекул и обладает дальним ориентационным порядком (оси молекул направлены вдоль выделенного направления - “директора” n) при отсутствии координационного порядка центров масс молекул. Ориентация молекул ЖК определяет главные оси его тензора показателя преломления. Под действием внешнего электрического поля директор нематического ЖК стремится повернуться вдоль или поперек направления поля в зависимости от величины диэлектрической анизотропии молекул, изменяя, таким образом, главные оси показателя преломления /21, 22/. При этом к жидкокристаллической части волновода прикладывают управляющее электрическое поле, которое изменяет ориентацию ЖК, а вместе с ней и его оптические свойства (направление главных осей тензора показателя преломления), обеспечивая возможность управляемого преобразования волноводных мод электромагнитного излучения.

Недостатком известного способа является малая спектральная селективность преобразования мод (ширина спектральной полосы более 50 нм), связанная с однородностью тензора показателя преломления в указанных классах ЖК веществ.

Известно устройство для управляемого преобразования волноводных световых мод, распространяющихся в волноводе - оптоволокне, сердцевина которого выполнена из ориентированного нематического или смектического жидкого кристалла /20/. Управление преобразованием мод распространяющегося в оптоволокне света осуществляется посредством управляемого изменения оптических свойств жидкокристаллического ядра, осуществляемого приложением к ЖК ядру электрического поля, направленного перпендикулярно к оси волновода. Электрическое поле изменяет ориентацию молекул ЖК, а вместе с ней и направление главных осей тензора показателя преломления сердцевины волновода, выполненной из ЖК /21, 22/. В комбинации с поляризаторами, рефлекторами и двулучепреломляющими элементами указанное устройство позволяет модулировать фазу, поляризацию и интенсивность распространяющегося в оптоволокне света, а также осуществлять его спектральную фильтрацию и генерацию второй гармоники.

Основным недостатком известного устройства является невозможность в рамках указанных веществ создания ЖК ядра волновода, оптические свойства которого (в частности, тензор показателя преломления) изменялись бы периодически вдоль оси волновода и допускали бы управление периодом с помощью приложения внешнего электрического поля. Как следствие, известное устройство не может реализовать Брэгговский режим отражения распространяющихся по оптоволокну волноводных мод, а также спектрально-селективное преобразование однонаправленных мод.

Известен способ спектрально-селективного преобразования волноводной моды электромагнитного излучения, предусматривающий распространение света в веществе с хиральной симметрией тензора показателя преломления, расположенном в промежутке между торцами одинаковых, соосно расположенных волноводов, и перекрывающем все сечение волновода, причем ось спирали указанного вещества с хиральной симметрией совпадает с общей осью волноводов /23/. Вещества с хиральной симметрией - хиральные жидкие кристаллы (ХЖК) состоят из оптически активных вытянутых молекул, которые укладываются в мономолекулярные слои с одинаковым направлением молекул в слое /24/. Направление молекул в каждом слое характеризует вектор n (директор). Директор в каждом слое параллелен плоскости слоя и повернут относительно директора предыдущего слоя на некоторый угол вокруг оси, перпендикулярной ко всем слоям. Это приводит к образованию в ХЖК упорядоченной закрученной (спиральной) структуры с шагом спирали р₀, которому соответствует поворот директора n на угол 2π вокруг оси спирали. В зависимости от химического строения молекул спираль может быть правовинтовой или левовинтовой.

Оптические свойства ХЖК определяются описанной структурой с винтовой (хиральной) симметрией. Именно, тензор показателя преломления ХЖК имеет собственное значение n_e вдоль главной оси, совпадающей с направлением директора в слое, и двумя равными собственными значениями n_o, соответствующими главным осям, перпендикулярным директору. По определению, n_e>n_o. От слоя к слою изменяется лишь направление главных осей, повторяя спиральную структуру ХЖК, при этом величины n_о и n_e остаются постоянными. Таким образом, тензор показателя преломления обладает винтовой симметрией, то есть тензор двух любых точках ХЖК отличается лишь поворотом вокруг оси спирали ХЖК. Период оптических свойств вдвое меньше шага спирали р₀, так как свойства каждого отдельного слоя одинаковы как в направлении n, так и в противоположном ему направлении -n (структура ХЖК неполярна).

При распространении электромагнитного излучения в веществе с хиральной симметрией, благодаря периодическому вдоль оси ХЖК изменению тензора показателя преломления, происходит дифракция света, аналогичная дифракции Вульфа-Брэгга для рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Особый интерес представляют свойства дифракции света на ХЖК при нормальном падении, когда луч света перпендикулярен мономолекулярным слоям. При нормальном падении отражается свет, направление круговой поляризации которого совпадает со спиралью ХЖК; свет противоположной круговой поляризации проходит без потерь. Полное отражение света с круговой поляризацией происходит в определенном интервале спектра, середина которого соответствует постоянной распространения волноводной моды β=р₀. Этот эффект называется спектрально-селективным отражением света в хиральных ЖК /24/. Ширина спектрального интервала отражения Δλ пропорциональна оптической анизотропии n_е-n₀

При распространении света в ХЖК, расположенном между торцами соосно ориентированных волноводов, происходит спектрально-селективное отражение волноводных мод излучения с определенной круговой поляризацией в обратном направлении. При этом отраженный свет частично вводится в волновод через примыкающий к мембране торец волновода.

Недостатком известного способа является малая спектральная селективность (Δλ не менее 20 нм), определяемая оптической анизотропией n_e-n_o вещества с хиральной симметрией, которая определяет ширину спектрального диапазона отражения мембраны, расположенной между торцами волноводов, а также невозможность перестройки спектрального диапазона отражаемых волн. Кроме того, указанный способ позволяет преобразовывать друг в друга только моды с противоположной круговой поляризацией. При размещении вещества ХЖК согласно указанному способу в месте его размещения нарушается волноводная структура, которая требует наличия оболочки с коэффициентом преломления большим, чем таковой сердечника, что приводит к нежелательным потерям света.

Известно волоконно-оптическое устройство для спектрально-селективного отражения распространяющейся волноводной моды с определенной длиной волны и с заданной круговой поляризацией /23/. Устройство представляет собой мембрану из вещества с хиральной симметрией оптических свойств, расположенную в промежутке между торцами соосно ориентированных отрезков оптоволокна. Указанная мембрана обеспечивает спектрально-селективное отражение распространяющегося в волноводе излучения с круговой поляризацией, совпадающей с ориентацией спирали вещества мембраны.

Недостатками известного устройства являются отражение света только с одной круговой поляризацией, а также невозможность управления длиной волны отраженного света. Кроме того, при размещении мембраны из ХЖК между торцами волноводов в месте его размещения отсутствует волноводная структура, которая требует наличия оболочки с коэффициентом преломления большим, чем таковой сердечника, что приводит к нежелательному излучению света вовне волновода.

Известен способ преобразования параметров распространяющейся по оптоволокну моды электромагнитного излучения, а именно, модуляции интенсивности моды, заключающийся в обеспечении распространения моды в оболочке, выполненной из вещества со свойствами ЖК и помещенной во внешнее электрическое поле /25/. Электрическое поле изменяет ориентацию молекул ЖК, а вместе с ней и направление главных оптических осей тензора показателя преломления ЖК части оболочки, что приводит к увеличению эффективного показателя оболочки. Тем самым нарушается волноводное свойство структуры, требующее, чтобы показатель преломления сердцевины был больше показателя преломления оболочки, и обеспечивается частичный регулируемый вывод энергии волноводной моды вовне оптоволокна.

Недостатком известного способа преобразования параметров волноводной моды является малая частотная избирательность (не лучше 10%) вследствие однородности оптических свойств ЖК части волновода на расстояниях порядка длины волны распространяющейся моды и, как следствие, невозможность частотно-селективного преобразования волноводных мод электромагнитного излучения друг в друга. В частности, указанный способ не позволяет обеспечить по крайней мере частичное отражение волноводной моды в обратном направлении с сохранением волноводных свойств.

Известно устройство /25/, осуществляющее модуляцию интенсивности электромагнитных волн, распространяющихся по цилиндрическому двухслойному волноводу, и представляющее собой отрезок волокна, содержащего сердцевину и оболочку, выполненную из ЖК на некотором интервале, и электроды, размещенные на ЖК оболочке таким образом, что ЖК часть волновода находится между электродами. Описанное устройство схематически изображено на фиг.1, где представлено осевое сечение осесимметричного устройства. На фиг.1 цифрой 1 обозначена сердцевина оптоволокна, 2 - оболочка на подводящих участках волокна, 3 - ЖК оболочка, 4 - электроды, 5 и 6 - профили интенсивности волноводной моды до и после прохождения через устройство, соответственно. Ориентацией молекул ЖК оболочки, а вместе с ними и ориентацией главных осей тензора показателя преломления, управляет электрическое поле между электродами. В результате переориентации главных осей тензора показателя преломления ЖК оболочки нарушаются волноводные свойства устройства, а именно, величина показателя преломления оболочки в направлении, перпендикулярном оси волновода, становится равной или большей показателя преломления сердцевины волновода. Как следствие, происходит регулируемое величиной приложенного поля уменьшение интенсивности распространяющейся в устройстве волноводной моды.

Недостатком известного устройства является отсутствие частотно-селективной связи различных мод распространяющегося по волноводу света, так как в рамках указанных веществ эффективный показатель преломления ЖК оболочки для волноводных мод постоянен вдоль оси волновода и его оптические свойства определяются приложенным к ЖК внешним полем, тогда как для связи различных мод излучения показатель преломления должен периодически изменяться вдоль оси волновода. В частности, известное устройство не может обеспечить связывания волноводных мод, распространяющихся в противоположных направлениях.

Известное устройство, включающее волновод, содержащий сердцевину и оболочку, выполненную из ЖК на отрезке волновода и снабженное электродами, размещенными вдоль волновода в области ЖК части волновода, выбрано в качестве наиболее близкого аналога. В известном устройстве используются нематические и смектические ЖК.

Известное устройство, выбранное в качестве ближайшего аналога, схематически изображено на фиг.2, в разрезе плоскостью проходящей через ось цилиндрической сердцевины 1 и сосной ей цилиндрической оболочки 2, которая на отрезке оптоволокна 3 выполнена из ЖК и снабжена электродами 4, расположенными на поверхности ЖК оболочки 3.

Недостатками известного устройства является невозможность, используя нематические и смектические ЖК, обеспечить спектрально-селективное преобразование мод с диапазоном преобразования менее 30 нм, а также невозможность связывания волноводных мод, распространяющихся в противоположных направлениях, в спектральном диапазоне шириной менее 30 нм.

Задачей изобретения является улучшение характеристик частотно-селективного преобразования волноводных световых мод с перестраиваемой центральной частотой полосы преобразования.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности перестраиваемового частотно-селективного преобразования волноводных мод.

Задача решается тем, что в способе спектрально-селективного преобразования мод оптического излучения в волноводе, предусматривающем обеспечение распространения по крайней мере двух волноводных мод оптического излучения в волноводной структуре с периодическим изменением тензора преломления вдоль направления волноводного распространения света, приложение электрического или магнитного поля заданной ориентации и управление характеристиками оптического излучения путем изменения тензора преломления волноводной структуры в области распространения указанных мод при изменении величины электрического или магнитного поля заданной ориентации, в соответствии с изобретением, обеспечивают распространение оптического излучения в среде со свойствами хирального жидкого кристалла (ХЖК), ось спирали которого ориентирована вдоль оси волновода, аналитически определяют шаг р спирали ХЖК по заданным постоянным распространения связываемых мод β₁ и β₂, по соотношению

по величине шага спирали р определяют величину напряженности внешнего электрического или магнитного поля, которое прикладывают к волноводу в направлении, перпендикулярном оси волновода, и изменяют внешнее поле до достижения величиной р значения, соответствующего заданным величинам постоянных распространения связываемых мод β₁ и β₂.

Кроме того, к среде со свойствами ХЖК прикладывают переменное электрическое поле с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК.

Кроме того, к среде со свойствами ХЖК прикладывают постоянное магнитное поле.

Кроме того, для связываемых волноводных мод противоположного направления распространения шаг спирали ХЖК р определяют из соотношения

где β - абсолютная величина постоянной распространения отражаемой моды.

Задача решена тем, что в известном устройстве для спектрально-селективного преобразования мод оптического излучения в волноводе, включающем электроды и расположенный между ними волновод, по крайней мере, частично выполненный из жидкого кристалла и содержащий, по крайней мере, одну сердцевину и, по крайней мере, одну оболочку, в соответствии с изобретением часть волновода выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.

Кроме того, по крайней мере одна из оболочек волновода или ее часть выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.

Кроме того, сердцевина волновода выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.

Кроме того, волновод содержит две сердцевины, и часть оболочки волновода, расположенная между ними, выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.

Кроме того, электроды укреплены на внешней оболочке волновода.

Кроме того, волновод выполнен в виде по крайней мере одного отрезка оптоволокна.

Кроме того, в качестве оптоволокна выбрано одномодовое оптоволокно.

Сущность изобретения заключается том, что в качестве ЖК вещества используется хиральный жидкий кристалл (ХЖК), причем ось спирали ХЖК ориентирована параллельно оси волновода. Отрезок волновода с оболочкой, выполненной из ХЖК, помещен в приложенное извне переменное электрическое или постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно к оси спирали ХЖК. Благодаря указанной ориентации ХЖК в волноводе обеспечивается периодическое вдоль его оси изменение тензора показателя преломления, приводящее к спектрально-селективному взаимодействию волноводных мод. При этом постоянные распространения взаимодействующих мод связаны с периодом изменения тензора показателя преломления формулой (1). Изменяя напряженность внешнего поля, приложенного к ХЖК, управляют периодом изменения тензора показателя преломления, перестраивая тем самым центральную частоту спектрального интервала, на котором происходит преобразование введенной в волновод моды.

ХЖК состоят из оптически активных вытянутых молекул, которые укладываются в мономолекулярные слои с одинаковым направлением молекул в слое. Направление молекул в каждом слое характеризует вектор n (директор). Директор в каждом слое лежит в плоскости слоя и повернут относительно директора предыдущего слоя на некоторый угол вокруг оси, перпендикулярной ко всем слоям. Это приводит к образованию в ХЖК упорядоченной закрученной (хиральной) структуры, характеризуемой шагом спирали р₀. По определению, шаг спирали р₀ есть расстояние по нормали к молекулярным слоям ХЖК, которому соответствует поворот директора n на угол 2π. В зависимости от химического строения молекул спираль ХЖК может быть правовинтовой или левовинтовой.

Оптические свойства ХЖК определяются описанной структурой с винтовой симметрией (группа симметрии ∞2 /24/). Именно, тензор показателя преломления ХЖК имеет собственное значение n_е (т.н. необыкновенный показатель преломления) вдоль главной оси, совпадающей с направлением директора в слое, и двумя равными собственными значениями n_o (т.н. обыкновенный показатель преломления), соответствующими главным осям, перпендикулярным директору. Определенный таким образом тензор показателя преломления в литературе называется локальным /24/, так как он описывает свойства вещества ХЖК в отдельных мономолекулярных слоях и изменяется на расстояниях, сравнимых с длиной волны распространяющегося света. От слоя к слою изменяется лишь направление главных осей, повторяя спиральную структуру ХЖК, при этом величины n_o и n_e остаются постоянными. Таким образом, тензор показателя преломления обладает винтовой симметрией, то есть тензор двух любых точках ХЖК отличается лишь углом поворота главных осей вокруг оси спирали. Период оптических свойств вдвое меньше шага спирали р₀, так как свойства каждого отдельного слоя одинаковы как в направлении n, так и в противоположном ему направлении -n (структура ХЖК неполярна).

Внешнее электрическое поле, приложенное в направлении, перпендикулярном к оси спирали ХЖК, изменяет шаг спирали р в диапазоне от некоторой минимальной длины шага спирали р₀, присущей данному веществу, до полного раскручивания спирали. Полное распрямление происходит при некоторой критической напряженности поля Е_c и соответствует переходу ЖК в нематическое состояние, когда все молекулы ориентированы в одном направлении. Постепенное изменение шага спирали ХЖК р при увеличении внешнего поля происходит за счет конкуренции сил межмолекулярного взаимодействия, стремящихся скрутить спираль до состояния с минимальным для данного вещества шагом р₀, с силами внешнего поля, стремящимися полностью раскрутить спираль ХЖК. Зависимость шага спирали ХЖК р от приложенного переменного электрического поля дается формулой /26-28/

где p₀=const обозначает шаг спирали в отсутствие электрического поля, р_е обозначает шаг спирали при приложении электрического поля с амплитудой напряженности Е, К(s) и E(s) - полные эллиптические интегралы, табулированные, напр., в справочнике /29/, а безразмерный параметр s(E) находится из уравнения

где Е_c обозначает напряженность электрического поля, при которой шаг спирали становится бесконечным. Вытекающий из приведенных неявных выражений монотонный рост шага спирали р при увеличении внешнего поля Е графически изображен на фиг.3. Внешнее электрическое поле может быть как переменным во времени, так и постоянным. При приложении внешнего переменного электрического поля его частоту выбирают меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК /30/. Применение постоянного электрического поля для управления шагом спирали не всегда целесообразно из-за проводимости некоторых типов ЖК, приводящей к экранировке внешнего электрического поля в веществе ЖК.

Контролируемое раскручивание спирали ХЖК может быть обеспечено также приложением постоянного магнитного поля в направлении, перпендикулярном оси спирали. Зависимость шага спирали ХЖК р от приложенного магнитного поля дается приведенной выше формулой (4), в которой безразмерный параметр s(E) заменен на аналогичный параметр s(H), который, в свою очередь, может быть вычислен из уравнения

где Н обозначает напряженность приложенного внешнего магнитного поля, Н_c обозначает напряженность магнитного поля, при которой шаг спирали становится бесконечным.

При распространении оптической волноводной моды в области расположения ХЖК происходит интерференция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК. В результате интерференции происходит резонансное взаимодействие тех и только тех волноводных мод электромагнитного излучения, постоянные распространения которых β₁ и β₂ удовлетворяют соотношению (1). При этом период изменения тензора показателя преломления Λ вдвое меньше, чем шаг спирали ХЖК р. По определению, шагу спирали р соответствует поворот оси ориентации молекул ХЖК (директора n) на угол 2π, хотя период изменения оптических свойств равен p/1 вследствие неполярности нематической, а значит, и холестерической структуры. Неполярность выражается в том, что свойства каждого мономолекулярного слоя одинаковы как в направлении n, так и в противоположном ему направлении -n. Это обеспечивается тем, что каждая молекула в слое имеет форму несимметричной палочки, вытянутой вдоль направления директора n, и может быть с равной вероятностью сориентирована как вдоль направления директора n, так и в противоположном ему направлении -n. В результате формула (1) для случая, когда периодические изменения тензора показателя преломления обеспечиваются за счет распространения в ХЖК, принимает вид

где β₁ и β₂ - постоянные распространения взаимодействующих мод; р - шаг спирали ХЖК.

Как следует из метода связанных мод /2/, ширина спектрального диапазона, в котором происходит резонансное взаимодействие мод, пропорциональна величине оптической анизотропии ХЖК и доле интенсивности моды, распространяющейся в части волновода, выполненной из ХЖК. Уменьшая эту долю интенсивности за счет расположения части волновода, выполненной из ХЖК, на расстоянии от области локализации взаимодействующих мод, можно получать устройства со спектральной полосой взаимодействия меньшей, чем таковая собственно объемных ХЖК, что важно для практических приложений. В результате спектральная селективность предлагаемого устройств превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которое совпадает с шириной полосы отражения используемого ХЖК, а также устройства /20/, которое не предусматривает использование хиральных ЖК.

Часть волновода, выполненная из ХЖК, помещена в приложенное извне электрическое или магнитное поле, направленное перпендикулярно к оси спирали ХЖК, которая совпадает с осью волновода. В отсутствие внешних полей, приложенных к ХЖК, шаг спирали р₀ определяется его составом. При приложении внешнего электрического или магнитного поля в направлении, перпендикулярном к оси ХЖК, происходит увеличение шага спирали ХЖК р. Благодаря неполярности ХЖК шаг спирали р, соответствующий повороту директора на 2π, вдвое больше, чем период изменения тензора показателя Λ вдоль оси волновода. Управляя внешним электрическим или магнитным полем, приложенным к указанному ХЖК, изменяют шаг спирали ХЖК, вместе с ним - период р/2 показателя преломления в волноводе и, следовательно, разность постоянных распространения β₁ и β₂ связываемых волноводных мод, определяемую формулой (7). Изменяя величину внешнего поля, можно управлять разностью постоянных распространения β₁-β₂ взаимодействующих мод. Диапазон перестройки разности постоянных распространения связываемых мод β₁-β₂ в формуле (7) простирается от величины 4π/р₀, определяемой шагом ХЖК в отсутствие внешних полей, до любого меньшего значения. Такой диапазон перестройки (период Λ меняется на 100%) превышает диапазон перестройки известных волоконных Брэгговских решеток в плавленом кварце, у которых период Λ может перестраиваться не более чем на 6% /13-16/.

В частности, возможно связывание противоположно направленных мод, для которых постоянные распространения β₁ и β₂ равны по величине и противоположны по знаку,

β₁=-β₂=β.

Так как ось спирали ХЖК совпадает с направлением распространения волноводной моды, то возникающая дифракция полностью аналогична дифракции Брэгга-Вульфа на слоистой оптической структуре /3/ при нормальном падении, которая обеспечивает также селективность отражения плоской световой волны от объемного хирального ЖК /24/. Эффективная связь мод (частичное отражение) имеет место, если период изменения тензора показателя преломления Λ удовлетворяет условию отражения Брэгга (2), то есть, если шаг спирали р связан с постоянной распространения β соотношением

В результате дифракции на периодических изменениях тензора преломления падающая на область расположения ХЖК волноводная мода при указанном значении постоянной распространения, по крайней мере, частично преобразуется в моду, распространяющуюся в противоположном направлении, с сохранением волноводных свойств. Волноводные моды с другими постоянными распространения проходят через область расположения ХЖК без отражения. При каждом фиксированном значении внешнего поля спираль ХЖК обладает периодом р, который находится для известной величины электрического поля по формулам (4, 5), а для магнитного поля - по формулам (4, 6). При каждом значении р отражаются те и только те моды, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8). Изменяя внешнее поле, раскручивающее спираль ХЖК, можно перестраивать постоянную распространения отражаемой моды β, задаваемую формулой (8), в пределах от

до любого меньшего значения.

Связь противоположно направленных мод может быть осуществлена также в линейном волноводе, содержащем две параллельные одинаковые сердцевины и общую оболочку, причем часть оболочки между сердцевинами выполнена из однородно ориентированного ХЖК, ось спирали которого направлена параллельно сердцевинам. Расстояние между сердцевинами выбирается такого же порядка, как и длина волны. При вводе излучения в одну из сердцевин происходит ее частичное спектрально-селективное преобразование в моду, локализованную около другой сердцевины и распространяющуюся в противоположном направлении. Это преобразование происходит при выполнении соотношения (8). Следовательно, длину волны введенной моды, при которой происходит ее преобразование в моду, локализованную около другого сердечника, можно перестраивать, изменяя с помощью внешнего поля шаг спирали р. Такое преобразование мод актуально для добавления/вычитания каналов в современных системах с частотным разделением каналов (WDM) /31/.

Дополнительные преимущества предлагаемого способа заключаются в возможности компенсации с помощью внешнего поля температурной зависимости шага спирали, а следовательно, и характеристик спектрально-селективного преобразования мод /17/.

Температурная зависимость шага спирали ХЖК, а следовательно, и центра спектрального диапазона преобразовываемых мод может быть уменьшена за счет выбора вещества ХЖК до 1-0,08 нм/°С и скомпенсирована приложением внешнего поля.

Механическая чувствительность устройств пренебрежимо мала, так как шаг спирали ХЖК зависит только от гидростатического давления, а не от формы принимаемой ЖК /24/.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить взаимное преобразование собственно волноводных мод, локализованных около сердцевины, с оболочечными модами /1/, распределенными также и по оболочке волокна, которые удерживаются в оболочке за счет полного внутреннего отражения на границе оболочки с воздухом, и с т.н. вытекающими модами /1/, которые медленно излучаются вовне оптоволокна.

Сущность изобретения поясняется фиг.4-11, на которых представлены схемы устройств, реализующих предложенный способ.

На фиг.4 схематически изображен общий вид устройства в сечении плоскостью А-А, перпендикулярной оси, с удаленной половиной устройства, симметричной относительно плоскости сечения. На фиг.5 представлено схематическое изображение того же устройства в осевом разрезе. Устройство содержит отрезок оптоволокна, состоящего из цилиндрической сердцевины 1 и оболочки, подводящая часть которой 2 выполнена в виде цилиндрических колец, соосных сердцевине и вытянутых вдоль оси, между которыми размещена часть оболочки 3, также имеющая вид цилиндрического кольца, соосного сердцевине и вытянутого вдоль оси, и электроды 4, между которыми расположена часть оболочки 3. Электроды 4 представляют собой параллельные металлические пластины, вытянутые вдоль оси оптоволокна. Сердцевина 1 и часть оболочки 2 выполнены из вещества с однородным и изотропным показателем преломления, причем показатель преломления сердцевины 1 больше, чем таковой части оболочки 2. Часть оболочки 3 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного таким образом, что ось его спирали параллельна оси оптоволокна.

Другой вариант выполнения устройства схематически изображен на фиг.6, где представлено сечение устройства плоскостью В-В, проходящей через ось волновода, и на фиг.7, где представлено сечение устройства плоскостью, перпендикулярной оси волновода. Устройство содержит оптоволокно с сердцевиной 1 и оболочкой, часть которой 2 выполнена в виде цилиндрического кольца, соосного сердцевине, профиль которого на некотором интервале вдоль оси волокна представляет собой больший сегмент круга, усеченного по хорде. Часть оболочки 3 находится в механическом контакте с частью 2 и имеет вид цилиндра с профилем в виде меньшего сегмента того же круга, усеченного по хорде. Электроды 4, между которыми расположена часть оболочки 3, представляют собой параллельные металлические пластины, вытянутые вдоль оси оптоволокна. Сердцевина 1 и часть оболочки 2 выполнены из вещества с однородным и изотропным показателем преломления, причем показатель преломления сердцевины 1 больше, чем таковой части оболочки 2. Часть оболочки 3 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного таким образом, что ось его спирали параллельна оси оптоволокна.

Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешнего поля шаг спирали ХЖК р₀ в части оболочки 3 определяется составом ХЖК. При распространении оптической волноводной моды в области расположения ХЖК в части оболочки 3 происходит интерференция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК. В результате происходит взаимодействие тех и только тех волноводных мод электромагнитного излучения, постоянные распространения которых β₁ и β₂ удовлетворяют соотношению (7), где шаг спирали ХЖК в части оболочки 3 равен р₀. Взаимодействие мод излучения в части оболочки 3, выполненной из ХЖК, приводит к спектрально-селективному преобразованию взаимодействующих мод друг в друга. Спектральная селективность преобразования мод обеспечивается тем, что при заданной длине шага спирали и заданной частоте моды существует лишь конечное число значений постоянной распространения первой моды, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, тогда как при всех остальных значениях постоянной распространения такого преобразования не происходит.

При приложении разности потенциалов к электродам 4 в ХЖК части оболочки 3 возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали ХЖК в части оболочки 3, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления части оболочки 3 вдоль оси волновода. График зависимости шага спирали ХЖК р от напряженности приложенного электрического поля Е представлен на фиг.3. За счет изменения напряженности поля период изменения тензора показателя преломления вдоль оси волновода может быть выбран в интервале от р₀/2 до бесконечности. Это, в свою очередь, приводит к перестройке разности β₁ и β₂ постоянных распространения взаимодействующих между собой мод, связанной с шагом спирали согласно формулам (1) и (8). Изменяя разность потенциалов на электродах 4, управляют разностью постоянных распространения β₁-β₂ взаимодействующих мод, изменяя ее в пределах от

до любого меньшего значения. В результате изменение разности потенциалов, приложенных к электродам, управляет перестройкой значения постоянной распространения первой моды β₁, при которых происходит ее преобразование во вторую моду.

В частности, устройство может обеспечить частичное отражение введенной в устройство моды. Частичное отражение эквивалентно связи мод с постоянными распространения β₁ и β₂, равными по величине и противоположными по знаку. В результате дифракции на периодических изменениях тензора преломления падающая на область 3 расположения ХЖК волноводная мода при некотором значении постоянной распространения по крайней мере частично отражается с сохранением волноводных свойств. Эффективное частичное отражение имеет место, если период изменения тензора показателя преломления Λ удовлетворяет условию отражения Брэгга (2), то есть, тогда и только тогда, когда постоянная распространения β связана с шагом спирали р соотношением (8), обеспечивая тем самым спектральную избирательность отражения. Волноводные моды с другими постоянными распространения проходят через область расположения 3 ХЖК без отражения.

При приложении разности потенциалов к электродам 4 в части оболочки 3, выполненной из ХЖК, возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали ХЖК в части оболочки 3, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления вдоль оси волновода. Шаг спирали р находится для известной величины напряженности электрического поля Е по формулам (4, 5). При каждом значении р отражаются те и только те моды, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8), где шаг спирали р задается выражениями (4, 5). Моды с другими постоянными распространения проходят через устройство без отражения. При увеличении внешнего поля, раскручивающего спираль ХЖК, постоянная распространения отражаемой моды уменьшается от

до любого меньшего значения. Тем самым изменение разности потенциалов, приложенных к электродам 4, приводит к перестройке постоянной распространения отражаемой моды в указанных пределах.

Как следует из метода связанных мод /2/, ширина спектрального диапазона отражения пропорциональна величине оптической анизотропии ХЖК и доле интенсивности моды, распространяющейся в части 3, выполненной из ХЖК. Изменяя эту долю интенсивности за счет выполнения устройств в соответствии с фиг.6-7, где часть 3, выполненная из ХЖК, расположена на большем или меньшем удалении от сердцевины, можно получать устройства со спектральной полосой отражения меньшей, чем полоса селективного отражения собственно объемных ХЖК, что важно для практических приложений. Следовательно, спектральная селективность предлагаемого устройства превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которая совпадает с шириной полосы отражения используемого ХЖК, определяемой по формуле (3).

На фиг.8-9 схематически изображен вариант устройства, включающего отрезок оптоволокна, содержащего выполненную из ХЖК сердцевину. На фиг.8 представлен общий вид устройства в разрезе плоскостью, перпендикулярной к оси волокна, причем часть устройства, симметричная относительно плоскости разреза, удалена. На фиг.9 представлено сечение устройства плоскостью, перпендикулярной к оси волокна. Устройство содержит выполненную из ХЖК сердцевину 1, оболочку 2 и электроды 4, расположенные на части поверхности оболочки, причем сердцевина 1 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного таким образом, что ось спирали ХЖК параллельна оси оптоволокна. Для сохранения единства сквозной нумерации функциональных элементов на различных иллюстрациях электроды обозначены цифрой 4. Оболочка 2 выполнена из вещества с однородным и изотропным показателем преломления, меньшим, чем средний показатель преломления ХЖК (n_е+n_о)/2, что обеспечивает существование волноводных мод за счет полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки.

Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешнего поля шаг спирали ХЖК 1 р₀ определяется его составом. При распространении волноводной моды в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, происходит интерференция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК. В результате происходит взаимодействие тех и только тех волноводных мод электромагнитного излучения, постоянные распространения которых β₁ и β₂ удовлетворяют соотношению (7), где шаг спирали ХЖК в сердцевине 1 равен р₀. Взаимодействие мод излучения в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, приводит к спектрально-селективному преобразованию взаимодействующих мод друг в друга. Спектральная селективность преобразования мод обеспечивается тем, что при заданной длине шага спирали и заданной частоте моды существует лишь конечное число значений постоянной распространения первой моды, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, тогда как при всех остальных значениях постоянной распространения такого преобразования не происходит.

При приложении разности потенциалов к электродам 4 в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали ХЖК, из которого выполнена сердцевина 1, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления сердцевины 1 вдоль оси волновода. График зависимости шага спирали ХЖК р от напряженности приложенного электрического поля Е представлен на фиг.3. За счет изменения напряженности поля период изменения тензора показателя преломления сердцевины 1 вдоль оси волновода может быть выбран в интервале от p₀/2 до бесконечности. Это, в свою очередь, приводит к перестройке разности β₁ -β₂ постоянных распространения взаимодействующих между собой мод, связанной с шагом спирали согласно формулам (1) и (8). Изменяя разность потенциалов на электродах 4, управляют разностью постоянных распространения β₁-β₂ взаимодействующих мод, изменяя ее в пределах от

до любого меньшего значения. В результате изменение разности потенциалов, приложенных к электродам, управляет перестройкой значения постоянной распространения первой моды β₁, при которых происходит ее преобразование во вторую моду с постоянной распространения β₂.

В частности, устройство может обеспечить частичное отражение введенной в устройство моды. Частичное отражение эквивалентно связи мод с постоянными распространения β₁ и β₂, равными по величине и противоположными по знаку. В результате дифракции на периодических изменениях тензора преломления падающая на область 3 расположения ХЖК волноводная мода при некотором значении постоянной распространения по крайней мере частично отражается с сохранением волноводных свойств. Эффективное частичное отражение имеет место, если период изменения тензора показателя преломления Λ удовлетворяет условию отражения Брэгга (2), то есть, тогда и только тогда, когда постоянная распространения β связана с шагом спирали р соотношением (8), обеспечивая тем самым спектральную избирательность отражения. Волноводные моды с другими постоянными распространения проходят через область расположения 3 ХЖК без отражения.

При приложении разности потенциалов к электродам 4 в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК.

Направление же электрического поля остается постоянным. Это приводит к увеличению шага спирали ХЖК, из которого выполнена сердцевина 1, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления сердцевины 1 вдоль оси волновода. Шаг спирали р находится для известной величины напряженности электрического поля Е по формулам (4, 5). При каждом значении р отражаются те и только те моды, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8), где шаг спирали р задается выражениями (4, 5). Моды с другими постоянными распространения проходят через устройство без отражения. При увеличении внешнего поля, раскручивающего спираль ХЖК, постоянная распространения отражаемой моды уменьшается от

до любого меньшего значения. Тем самым, изменение разности потенциалов, приложенных к электродам 3, приводит к перестройке постоянной распространения отражаемой моды в указанных пределах.

Как следует из метода связанных мод /2/, ширина спектрального диапазона отражения пропорциональна величине оптической анизотропии ХЖК и доле интенсивности моды, распространяющейся в сердцевине, выполненной из ХЖК. Изменяя эту долю интенсивности за счет выполнения устройств в соответствии с фиг.8-9 с различным радиусом сердцевины 1, можно получать устройства со спектральной полосой отражения меньшей, чем полоса селективного отражения собственно объемных ХЖК, что важно для практических приложений. Тем самым спектральная селективность предлагаемого устройства (менее 1 нм) превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которая совпадает с шириной полосы селективного отражения используемого объемного ХЖК и составляет 20-30 нм.

На фиг.10-11 схематически изображен вариант устройства, включающего волновод с двумя одинаковыми сердцевинами 1А и 1В прямоугольного сечения, расположенными параллельно друг другу и сформированными в подложке 2, которая представляет собой часть оболочки. Другая часть оболочки 3 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного вдоль оси волновода. Волновод расположен между электродами 4, находящимися в контакте с его оболочкой и имеющими форму двух пластин, параллельных плоскости, разделяющей подложку 2 и ХЖК 3. Сердцевины 1А и 1В, а также подложка 2 выполнены из вещества с однородным изотропным показателем преломления, причем для обеспечения волноводного распространения света показатель преломления сердцевин больше, чем показатель преломления подложки 2.

Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешнего поля шаг спирали р₀ ХЖК, из которого выполнена часть оболочки 3, определяется составом ХЖК. При распространении оптической волноводной моды, сосредоточенной вокруг сердцевины 1А, в области расположения ХЖК части оболочки 3 происходит дифракция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК 3. В результате дифракции происходит взаимодействие введенной моды модами, которые локализуются около сердцевины 1В, постоянные распространения которых β₁ и β₂ удовлетворяют соотношению

, где p₀ обозначает шаг спирали ХЖК 3. Взаимодействие мод излучения в области расположения ХЖК части оболочки 3 приводит к спектрально-селективному преобразованию введенной моды, локализованной около сердцевины 1А, в моду, локализованную около сердцевины 1В. Спектральная селективность преобразования мод обеспечивается тем, что при заданной длине шага спирали р₀ и заданной частоте моды ν существует лишь конечное число значений постоянной распространения первой моды, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, тогда как при всех остальных значениях постоянной распространения такого преобразования не происходит.

При приложении разности потенциалов к электродам 4 в ХЖК части оболочки 3 возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали в ХЖК части оболочки 3, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления части оболочки 3 вдоль оси волновода. Период вариации тензора показателя преломления вдоль оси волновода может быть выбран в интервале от р₀/2 до бесконечности. Это, в свою очередь, приводит к изменению разности β₁-β₂ постоянных распространения взаимодействующих между собой мод согласно формуле (1). Изменяя разность потенциалов на электродах 4, управляют разностью постоянных распространения β₁-β₂ взаимодействующих мод, изменяя ее в пределах от

до любого меньшего значения. В результате при изменении амплитуды переменной разности потенциалов, приложенных к электродам 4, происходит перестройка значения постоянной распространения первой моды β₁ сосредоточенной около сердцевины 1А, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, сосредоточенную около сердцевины 1В.

В частности, может быть обеспечено частичное отражение, эквивалентное связи противоположно направленных мод, для которых постоянные распространения β₁ и β₂ равны по величине и противоположны по знаку. При этом происходит преобразование моды, локализованной около сердцевины 1А, в моду, распространяющуюся в противоположном направлении и локализованной около сердцевины 1В. При каждом фиксированном значении внешнего поля спираль ХЖК 3 обладает периодом р, который находится для известной величины электрического поля по формулам (4, 5). При каждом значении р происходит преобразование тех и только тех моды из сердцевины 1А, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8). При увеличении амплитуды внешнего поля, раскручивающего спираль ХЖК, постоянная распространения отражаемой моды уменьшается от

до нуля. В результате при изменении амплитуды переменной разности потенциалов, приложенных к электродам 4, происходит перестройка значения постоянной распространения первой моды β₁, сосредоточенной около сердцевины 1А, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, сосредоточенную около сердцевины 1В и распространяющуюся в противоположном направлении.

Устройство, изображенное на фиг.6 и 7, было реализовано следующим образом. Было использовано оптоволокно с диаметром сердцевины 1 8 мкм, диаметром оболочки 2 125 мкм, с показателем преломления сердцевины 1,45 и параметром высоты профиля Δ=0,3%. Для частоты колебаний, соответствующей длине волны 1,55 мкм в вакууме, волокно находится в одномодовом режиме с волноводным параметром V=1,82 /1, 2/. Поперечное сечение оптоволокна представляет собой концентрические круги с центром на оси волокна и радиусами сердцевины и оболочки. На отрезке указанного волокна длиной L=2 мм часть оболочки 3 с профилем в виде части кругового сечения оптоволокна между окружностью и хордой, удаленной от центра круга на расстояние 8 мкм, выполнена из однородно ориентированного ХЖК 3 из группы цианбифинилов с хиральной добавкой BL037 (по каталогу /32/), причем ось спирали ХЖК параллельна оси оптоволокна. Спираль ХЖК правозакрученная, шаг спирали ХЖК равен 1004 нм при температуре 20°С, показатели преломления n_е=1,65, n₀=1,5, температурная зависимость шага спирали р в интервале 15-50°С составляет -0,2 нм/°С, критическая напряженность электрического поля Е_c, при которой происходит полное раскручивание спирали, составляет 19 кВ/см. Отрезок оптоволокна с частью оболочки, выполненной из ХЖК, размещен между плоскопараллельными электродами 4, к которым приложена разность потенциалов, гармонически изменяющаяся с частотой 1 кГц. Отрезок оптоволокна с частью оболочки 3, выполненной из ХЖК, с обоих концов состыкован с подводящими отрезками оптоволокна с теми же характеристиками, оболочка которых полностью выполнена из кварца. Отметим, что, благодаря малости высоты профиля Δ, волновод является слабонаправляющим /1/, следовательно, проекции векторов электрического и магнитного полей волноводных мод на ось волновода пренебрежимо мала по сравнению с величиной перпендикулярных к оси волновода составляющих указанных полей /2, Гл.12, с.222/. Кроме того, в слабонаправляющем волноводе постоянная распространения волноводной моды β связана с волновым числом k соотношением k≈β/n, где n есть показатель преломления сердцевины.

При введении в устройство через подводящий отрезок волокна волноводной моды НЕ₁₁ с правой круговой поляризацией происходит ее распространение в части оболочки 3, выполненной из ХЖК. Поле волноводной моды в сердцевине 1 и части оболочки 2, выполненной из плавленого кварца, может быть представлено в виде суперпозиции падающей и отраженной волноводных мод. Дифракция на периодических вдоль оси волокна изменениях тензора показателя преломления ХЖК 3 приводит к частичному спектрально-селективному отражению волноводной моды в противоположном направлении с сохранением волноводных свойств. В отсутствие разности потенциалов на электродах 4 эффективное отражение волноводной моды происходит в диапазоне частот шириной около 190 ГГц с центром, соответствующим длине волны в свободном пространстве λ=1450 нм. Зависимость доли отраженного света R, равной отношению интенсивностей падающей и отраженной мод, от длины волны в свободном пространстве λ приведена на фиг.12. Зависимость имеет приближенно прямоугольную форму. Ширина диапазона отражения, зависящая от оптической анизотропии ХЖК и от доли интенсивности волноводной моды, распространяющейся в веществе ХЖК, составила около 190 ГГц. Отраженная волновая мода имеет правую круговую поляризацию. Волноводная мода НЕ₁₁ с левой круговой поляризацией проходит через устройство без отражения.

При приложении разности потенциалов ε к электродам 4 в ХЖК возникает внешнее электрическое поле, направленное перпендикулярно оси спирали ХЖК 3. Это поле увеличивает шаг спирали ХЖК, а вместе с ним и центральную частоту диапазона отражения. При изменении напряженности поля от 0 до 14 кВ/см длина волны в свободном пространстве, соответствующая центральной частоте спектрального диапазона отражения, изменялась от 1450 до 1600 нм. Форма спектральной зависимости R от λ не претерпела существенных изменений. При резком изменении величины внешнего электрического поля постоянный шаг спирали устанавливается за 7 м/с.

Зависимость шага спирали ХЖК от температуры была скомпенсирована за счет изменения внешнего электрического поля. В результате нежелательная зависимость длины волны отраженного света от температуры составила менее 0,001 нм/° С, тогда как температурная чувствительность традиционных решеток, сформированных в плавленом кварце, гораздо выше и составляет около 0,01 нм/К.

Механическая чувствительность указанной реализации отсутствует из-за нечувствительности шага спирали к изменению формы ХЖК при постоянном гидростатическом давлении, что было обеспечено за счет размещения части волновода, выполненного из ХЖК, в объеме с по крайней мере одной упругой стенкой. В частности, деформации собственно оптоволокна никак не влияют на шаг спирали, а следовательно, и на длину волны диапазона отражаемого света.

Описанное устройство позволяет изменять длину шага спирали, увеличивая ее не менее чем на 10%, что приводит к пропорциональному изменению центра спектрального диапазона отражения. В рассматриваемой реализации диапазон изменяется на 150 нм, от 1450 до 1600 нм. Такое изменение длины волны отражаемого света значительно превышает диапазон перестройки, обеспечиваемый механическим растяжением/сжатием или изменением температуры волоконных решеток и составляющий /9, 13/ не более 4% (60 нм) и 2% (30 нм), соответственно.

Спектральная полоса отражения описанного устройства равна 190 ГГц, или 1,7 нм, что значительно меньше, чем ширина полосы селективного отражения собственно объемных ХЖК, равная в данном случае 9,6 ТГц, или 80 нм. Спектральная селективность описанного устройства (1,7 нм) превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которая совпадает с шириной полосы селективного отражения используемого ХЖК (20-50 нм).

Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве волоконной решетки Брэгга с перестраиваемой частотой отражаемого света, в системах волоконно-оптической связи, в частности, в системах с частотным разделением каналов (WDM) /31/.

Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве волоконно-оптического датчика электрического и/или магнитного полей, а также температуры. Под действием указанных факторов изменяется шаг спирали ХЖК, а вместе с ним и центральная частота отражаемых устройством волн. Сравнивая частоту волноводной моды, отражаемой от участка волновода, где расположен подверженный внешним воздействиям ХЖК, с некоторой эталонной частотой, можно судить о степени изменения шага спирали ХЖК, а вместе с ним находить величину внешнего воздействия.

Изобретение может быть использовано для создания частотно-селективного волоконного резонатора с перестраиваемой центральной частотой для обеспечения обратной связи в полупроводниковом лазере.

Изобретение может быть использовано для обеспечения частотно-селективной обратной связи в волоконном лазере с оптической накачкой (в частности, в волоконном лазере, в котором рабочим веществом является волокно из плавленого кварца с сердцевиной, легированной ионами эрбия).

Источники информации

1. Х.-Г. Унгер. Планарные и волоконные оптические волноводы. М., Мир, 1980, 504 с., с.263-300, 303-320, 328-362.

2. А.Снайдер, Дж.Лав. Теория оптических волноводов. М., Радио и связь, 1987, 656 с., с.9-17, 461-467, 514-519.

3. Н.И.Калитеевский. Волновая оптика. 3-е изд., М., Высшая школа, 463 с., стр.350-352.

4. C.M.Ragdale, D.Reid, D.J.Robbins, J.Buus and I.Bennion. Narrowband fibre grating filters. IEEE J Sel.Areas Commun., 1990, v.8, №6, pp.1146-1149.

5. G.Meltz, W.W.Morey, W.H.Glenn. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Opt.Lett., 1989, v.14, №15, pp.823-825.

6. R.Kashyap et.al. All-fibre narrowband reflection gratings at 1500 nm. Electron. Lett., 24 May 1990, v.26, №11, pp.730-732.

7. Xiyu Feng et. al. Formation technologies of Fiber Bragg gratings. Proc. SPIE. V.3557, pp.198-203, 1998.

8. Eric E.Mayer et al. Fiber Bragg grating writing by interferometric or phase mask methods using high-power excimer lasers. Proc. SPIE, v.3618, pp.152-160, 1999.

9. J.E.Brennan et al. Method for fabrication of in-line optical waveguide index gratings of any length. US Pat., 5912999, 1999.

10. A.M.Vengsarkar et al. Long-period fiber-grating based gain equalizers. Opt. Lett., v.21, №5, p.336, 1996.

11. С.А.Васильев и др. Фотоиндуцированные внутриволоконные решетки показателя преломления для связи мод сердцевина - оболочка. Квантовая электроника, т.24, № 2, с.151, 1997.

12. M.M.Ohn et. al. Dispersion variable fibre Bragg grating using a piezoelectric stack. Electron. Lett, 10 Oct. 1996, v.32, №21, pp.2000-2001.

13. A.Iocco, H.G.Limberger and R.P.Salathe. Bragg grating fast tunable filter. Electron. Lett., v.33(25), pp.2147-2148.

14. Hill P.C. and Eggleton B.J. Strain gradient chirp of fibre Bragg gratings. Electron. Lett, 1994, v.30(14), pp.1755-1756.

15. S Jin et. al. US Patent 5781677. Magnetically tunable optical fiber gratings, 1998.

16. S.Jin et. al. US Patent 6055348. Tunable grating device and optical communication devices and systems comprising same, 2000.

17. G.Chen et al. Experimental investigation of temperature induced Bragg wavelength shift in UV-written fiber Bragg grating. Proc.SPIE, v.3552, p.129-132, Fiber Optic Components and Optical Communication II, S.Jian, F.K.Tong, R.Maers, Eds., 1998.

18. J.J.Pan. US Patent 5699377: Narrow linewidth, stabilized semiconductor laser source, 1997.

19. J.L.Cruz et al. Fibre Bragg gratings tuned and chirped using magnetic fields. Electron. Lett, 1997, v.33(3), pp.235-236.

20. J.-Y. Liu, K.M. Johnson. US Patent 5361320. Liquid crystal fiber waveguide.

21. Л.М.Блинов. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., Наука, 1978, 384 с., гл.6, §6.2, с.251-253.

22. А.С.Сонин. Введение в физику жидких кристаллов. М., Наука, 1983, 320 с.

23. Y.Shiyudo et. al. Patent of Japan 62165604. Optical fiber having selectively transmitting membrane for single circularly polarized wave, 1987.

24. В.А.Беляков, А.С.Сонин. Оптика холестерических жидких кристаллов. М., Наука, 1982, 360 с.

25. J.Ono, N.Uenishi. Patent of Japan 7306393. Optical fiber type optical modulator, 1995.

26. P.G.de Gennes. Sol.State Comm., v.6, p.163, 1968.

27. К.Меуег. Appl. Phys. Lett., v.12, p.281, 1968.

28. F.J.Kahn, Phys.Rev.Lett., v.24, p.209, 1970.

29. Е.Янке, Ф.Эмде, Ф.Леш. Специальные функции. М., Наука, 1977, 342 с., стр.92-94.

30. В.Н.Цветков, Е.И.Рюмцев, И.П.Коломиец, А.П.Ковшик. О макроскопической эквивалентности и различии молекулярных механизмов ориентирующего действия электрических и магнитных полей на нематические жидкие кристаллы. ДАН СССР, т.211, № 4, с.821-824, 1973.

31. Sami Hendow. Gratings, amplifiers and sources for high spectral efficiency systems. National Fiber Optic Engineers Conference 2001, Baltimore, Technical Program Proceedings, pp.451-457.

32. Каталог фирмы Merck Liquid Crystals, Ver.2, August 1994, Section 1.5-1.8, стр.17.

Реферат

Изобретение относится к волноводной оптике. Устройство содержит волновод, включающий сердцевину и оболочку, часть которой выполнена из ЖК и расположена между электродами. Волноводная мода интерферирует на периодических вдоль оси волновода изменениях показателя преломления, которые обеспечиваются за счет использования хирального ЖК (ХЖК), обладающего спиральной симметрией, ось спирали которого ориентирована вдоль оси волновода. Спектральный диапазон преобразования мод определяется шагом спирали ХЖК, который изменяется при приложении внешнего поля. Технический результат - улучшение характеристик частотно-селективного преобразования. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 12 ил.

Формула