DK168897B1 - Optisk system - Google Patents

Description

DK 168897 B1 i

Opfindelsen angår optiske systemer, f.eks. optiske kommunikationssystemer og optiske computere.

Optiske systemer, f.eks. optiske kommunikationssystemer 5 og optiske computere, er i brug, eller udvikles, fordi sådanne systemer er i stand til, eller gør det muligt, at transmittere og/eller behandle langt større mængder af information, meget hurtigere end det er muligt ved brug af rene elektroniske systemer.

10

De optiske systemer beskrevet i det ovenstående, inkluderer typisk en eller flere kilder af elektromagnetisk stråling, f.eks. en eller flere halvlederlasere, en enhed (eller enheder) for behandling af den elektromagnetiske 15 stråling afgivet af kilderne, og en eller flere detektorer for detektering af den behandlede elektromagnetiske stråling. Den elektromagnetiske stråling afgivet af kilderne sendes til behandlingsenheden (eller enhederne), og derefter til detektorerne gennem, f.eks., luften, et va-20 kuum, eller gennem bølgeledere som f.eks. optiske fibre.

Behandlingsenheder, der anvendes i optiske systemer, inkluderer f.eks. omskiftere (enheder for omskiftning eller elektromagnetisk stråling fra en bølgeleder til en anden 25 bølgeleder i systemet), amplitudemodulatorer (enheder for ændring af den elektromagnetiske strålings intensitet), og multiplexere/demultiplexere (enheder, der f.eks. tjener det formål at dirigere den elektromagnetiske stråling fra et antal af bølgeledere ind i en enkel bølgeleder og 30 vice versa). På nuværende tidspunkt fremstilles disse enheder typisk i elektro-optiske materialer, som f.eks. li-thiumniobat, og signalbehandlingen udføres elektronisk.

F.eks. fremstilles en omskifter, indeholdende to eller flere plane bølgeledere (typisk med optisk forbindelse 35 til andre bølgeledere, f.eks. optiske fibre, i systemet) på et lithiumniobatsubstrat ved afsættelse af en dopant, som f.eks. titanium, på overfladen af substratet i det DK 168897 B1 2 mønster, der ønskes for de plane bølgeledere. Substratet opvarmes herefter for at sprede dopanten ind i substratet, hvorved de plane bølgeledere formes. Yderligere udformes der elektroder på modsatte sider af en eller flere 5 af de plane bølgeledere. For at forårsage omskiftning, påtrykkes der en spænding over elektroderne, hvilket inducerer en lokal ændring i den optiske polarisationsevne af lithiumniobat, der lokalt ændrer brydningsindeks og, som følge heraf, ændrer udbredelsesbanen for lyset fra en 10 plan bølgeleder til en anden plan bølgeleder. Omskiftningshastigheden afhænger i høj grad af elektrodernes konfiguration. Når der f.eks. påtrykkes en spænding over elektroder med en ujævn elektrodekonfiguration, begrænses den nødvendige tid til opnåelse af omskiftning af RC-15 tidskonstanten for elektroderne, der typisk har størrelsesordenen ns. (Fjernelse af den påtrykte spænding vil forårsage, at de inducerede ændringer i den optiske polarisationsevne og brydningsindekset forsvinder tilnærmelsesvis øjeblikkeligt). Derfor er cyklus-tiden (tidsinter-20 vallet imellem efterfølgende omskiftningsoperationer) begrænset til (og ikke mindre end) adskillige ns, og repetitionsfrekvensen (antallet af omskiftningsoperationer pr. tidsenhed, hvilket svarer til den reciprokke cyklus-

O

tid) er begrænset til ikke mere end 3 x 10 Hz. Hvis der 25 derimod benyttes en elektrodekonfiguration med bølgeudbredelse (transmissionslinie), opnås der en omskiftningstid, og en cyklustid, på nogle hundrede ps, hvilket giver g en repetitionsfrekvens så høj som 3 x 10 Hz.

30 For at opnå endnu kortere cyklustider og højere repetitionsfrekvenser, er der foreslået enheder, i hvilke signalbehandlingen foretages udelukkende med optiske midler. Disse foreslåede enheder inkluderer typisk et område af materiale, der tjener som et transmissionsmedium for en 35 stråle af elektromagnetisk stråling (herefter kaldet signalstrålen), der skal behandles. Transmissionsmediet udvælges således, at det udviser en ikke-lineær optisk re- DK 168897 B1 3 spons (en ændring i brydningsindeks og/eller optisk absorption) når det rammes af en anden stråle eller elektromagnetisk stråling (herefter kaldet kontrolstrålen), hvor den ikke-lineære optiske respons tjener til at på-5 virke behandlingen af signalstrålen.

En enhed, der eksemplificerer enhederne, der benytter ren optisk signalbehandling er vist i J. L. Jewell et al., "Parallel' Operation and Crosstalk Measurements in GaAs 10 Etalon Optical Logic Devices", Applied Physics Letters,

Vol, 48, No. 20, 19 May 1986, side 1342-1344. Denne enhed er en galliumarsenid (GaAs)etalon, der inkluderer et lag GaAs (et uorganisk halvledermateriale), der har en tykkelse, der er mindre end 1 mikrometer (jim), anbragt imel-15 lem to dielektriske spejle. Spejlene er konstrueret til at udvise en relativ høj refleksionskoefficient over for elektromagnetisk stråling ved en bølgelængde på omkring 890 nm, og relativ lav refleksionskoefficient over for elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på omkring 20 800 nm. Yderligere er etaionen konstrueret således, at maksimum for transmissionskurven gennem etaionen, forekommer ved den førstnævnte bølgelængde. Ved brug, og ved udeblivelsen af en kontrolstråle, vil en signalstråle, der har en bølgelængde på 890 nm, og som rammer GaAs-la-25 get, kun blive absorberet relativt lidt, hvorfor strålen hovedsageligt transmitteres. Når GaAs-laget rammes af en kontrolstråle, der har en bølgelængde på 890 nm, vil valensbåndelektroner i GaAs overføres til ledningsbåndet, hvilket ændrer brydningsindekset i GaAs og, som en konsé-30 kvens (og tilnærmelsesvis øjeblikkeligt), ændret etaionens transmissionsmaksimum fra 890 nm. Dette resulterer i, at signalstrålen (med en bølgelængde på 890 nm) får en relativ lav transmission. Afhængig af tykkelsen af GaAs-laget, udviser forringelsen i etaionens transmissionsevne 35 en karakteristisk forsinkelsestid r (det tidsinterval i hvilket forringelsen i transmissionsevnen falder til 1/e af den oprindelige værdi, efter at kontrolstrålen er 4 DK 168897 B1 slukket), der svinger fra omkring 200 ps til omkring 15 ps. Det er denne forsinkelsestid, der begrænser enhedens hastighed. Kontrolstrålen kan ikke tændes igen, for at frembringe et signifikant fald i etaionens transmissions-5 evne, før det forudgående fald i transmissionsevnen er hovedsageligt forsvundet, hvilket typisk tager omkring 2 r. Derfor, og afhængig af tykkelsen af GaAs, svinger cyklustid for denne enhed (tidsintervallet imellem efterfølgende lav transmissionstilstande) imellem omkring 400 ps 10 og omkring 30 ps, hvorfor repetitionsfrekvensen svinger 9 10 imellem omkring 2,5 x 10 Hz og omkring 3,3 x 10 Hz.

I stedet for at benytte uorganiske halvledermaterialer, som f.eks. GaAs, er der frembragt behandlingsenheder, der 15 benytter organiske materialer, som f.eks. polydiacetylen (PDA). I den forbindelse, er det kendt, at en specifik krystallinsk form af PDA, kendt som poly-2,4-hexadiyn- 1,6-diol-bis(p-toluensulfonat) PDA/PTS), udviser det på fig. 1 fremstillede absorptionsspektrum, hvilket inklude- 20 rer et bølgelængdeområde med relativ høj absorption (et område, hvor absorptionskoefficienten α er større end el- 4 -1 ler lig med 2 x 10 cm ), strækkende sig fra omkring 640 nm til kortere bølgelængder. Det er også kendt at dette relativt høje absorptionsområde har forbindelse med med 25 elektroner, der overføres fra en relativt lav elektrisk energitilstand (grundtilstanden) til en højere elektronisk energitilstand som følge af photonabsorption. Specielt har det længde været kendt, at PDA udviser en relativ høj (sammenlignet med andre materialer) ikke-lineær 30 optisk respons ved bølgelængder associeret med relativ lav absorption, f.eks. bølgelængder ved hvilke α er 4 -4 mindre end omkring 2 x 10 cm . Denne respons menes at -15 komme tilnærmelsesvis øjeblikkeligt, dvs. inden 10 sek. Uheldigvis er størrelsen af responsen (selvom den er 35 relativ stor sammenlignet med andre materialer) generelt for lille til at være brugbar for apparatanvendelser. På den anden side, har man længe ment, at det (meget større) DK 168897 B1 5 ikke-lineære optiske respons ved bølgelængder, der udviser relativ høj absorption (or er større end eller lig med 4 -1 omkring 2 x 10 cm ) ville have en meget større forsinkelsestid.

5

En eksperimentel undersøgelse af forsinkelsestiderne, associerede de ikke-lineære optiske respons frembragt i PDA/PTS ved bølgelængder varierende fra omkring 651,5 nm (hvilket er ved lang-bølgelængdegrænsen af det relativt 10 høj absorberende område strækkende sig fra omkring 640 nm til kortere bølgelængder) til omkring 701,5 nm, er blevet udført, og er beskrevet i G.M. Carter et al, "time and Wavelength Resolved Nonlinear Optical Spectroscopy of a Polydiacetylene in tid Solid State Using Picosecond Dye 15 Laser Pulses", Applied Physics Letter, Vol. 47, No. 5 (September 1, 1985), pp. 457-459. Denne undersøgelse involverede brug af konventionel, modkoblende 4-bølge mixing. To pulser af elektromagnetisk stråling med identisk bølgelængde bringes til at interferere inden i en rum-20 fangsregion af PDA-PTS for at frembringe en periodisk intensitetsvariation, hvilket resulterer i en periodisk variation af brydningsindekset (den ikke-lineære optiske respons), hvilket resulterer i et et rumfangsfraktionsgitter. Disse pulser har varigheder på omkring 6 ps, og 25 har maksimumintensiteter på omkring 2,5 x 10 W/cm . En tredie puls af elektromagnetisk stråling med identisk bølgelængde, varighed og intensitet, rammer PDA-PTS og opspaltes af diffraktionsgitteret, hvorved der frembringes en fjerde stråle af elektromagnetisk stråling, der 30 krydser tykkelsen af PDA-PTS, og detekteres af en detektor. Ved at variere ankomsttiden for den tredie puls i forhold til de to første pulser, blev det bestemt, at varigheden af den ikke-lineære optiske respons på grænsen af det relative høje absorptionsområde, hvor PDA-PTS, var 35 mindre end pulsvarigheden og således mindre end 6 ps. Baseret på disse eksperimentelle data, og ved at foretage en antal af (underforstået) antalgelser, blev der deref- 6 DK 168897 B1 ter konkluderet at den Ikke-lineære optiske respons ved relativt høje absorptionsbølgelængder, f.eks. ved 625 nm, også ville have en forsinkelsestid mindre end 6 ps. En af de underforståede antagelser, der ligger til grund for 5 denne konklusion er, at absorptionen i PDA-PTS skyldes eksistensen af kun en enkelt elektronisk exiteret tilstand, og at det er denne tilstand, der aktiveres af de to interfererende pulser.

10 En anden undersøgelse svarende til den af Carter et al. udførte, men mindre omfattende blev af Dennis et al omtalt i Applied Physical Letters 47(3), august 1985. Denne artikel angiver en Øvre grænse på 180 ps for levetiden af den exciterede tilstand. Desuden er der i artiklen ikke 15 indikeret megen forståelse for, at interferende, langlivede tilstande kan dannes utilsigtet ved højintensitetslys.

Til dato, har der ikke været rapporteret eksperimentel 20 bevis for at PDA virkelig udviser et ikke-lineært optisk respons med relativt høje absorptions-bølgelængder med en forsinkelsestid mindre end omkring 6 ps. Uden et sådant bevis, er det stadigvæk et spørgsmål, hvorvidt PDA er anvendelig i hurtige optiske behandlingsenheder.

25

Dem der er engageret i udviklingen af optiske behandlingsenheder har således søgt og fortsætter med at søge efter hurtige enheder, der muliggør opnåelse af relativt høje repetitionsfrekvenser.

30

Ifølge opfindelsen er der tilvejebragt et optisk system af den i krav 1 angivne art.

Opfindelsen baserer sig på iagttagelsen af, at et antal 35 af tilstande let lader sig aktivere i materialer, f.eks. organiske materialer som PDA, via resonant optisk (kontrolstråle) exitation, dvs. optiske exitationer ved bøl- DK 168897 B1 7 4 gelængder, hvor a er større end eller lig med 2 x 10 cm \ og at disse tilstande inkluderer både relativt kortlivede og relativt lang-livede tilstande. Yderligere bestemmer bølgelængden, varigheden og intensiteten af kon-5 trolstrålen hvilken tilstand eller tilstande, der aktiveres. F.eks. i tilfældet af PDA-PTS, er det opdaget, at kun et første elektronisk energiniveau (heri benævnt S^), med en forsinkelsestid på omkring 2 ps, befolkes, hvis den indfaldende kontrolstråle er en puls med en bølge-10 længde på omkring 625 nm, en varighed på omkring 2 ps eller længere (fuld bredde ved halv maksimum), og en intensitet (pulsenergi i forhold til pulsbredde, pr. enheds 6 2 areal) mindre end eller lig med omkring 4 x 10 W/cm .

Hvis det sammenhørende ikke-lineære optiske respons skal 15 have en forsinkelsestid svarende til S^, skal varigheden af kontrolstrålepulsen være mindre end eller lig med 2 ps (for at forhindre genbefolkning af S^, hvilket giver et længere ikke-lineært optisk respons). Som en konsekvens, opnås der let en cyklustid (i det ikke-lineære respons), 20 som er så lille som 4 ps (2 gange forsinkelsestiden af det ikke-lineære optiske respons), og en sammenhørende 11 repetitionsfrekvens så høj som 2,5 x 10 Hz.

Som en kontrast er det også opdaget, at en kontrolstråle-25 puls med en bølgelængde på 625 nm, en varighed større end eller lig med 2 ps, og en intensitet større end omkring 4 x 10u W/cm resulterer i befolkning af en tredobbelt tilstand (heri benævnt ), såvel som S^. Denne tredobbelte tilstand udviser en forsinkelsestid, der er lig med om-30 kring 40 ns. Hvis kontrolstrålepulsen (med en bølgelængde på 625 nm) har en varighed på f.eks. 2 ps, og intensite- 7 2 ten af kontrolstrålen er 2,5 x 10 W/cm (intensiteten anvendt i Carter et al), da vil det resulterende ikke-lineære optiske respons indeholde både en komponent udvi-35 sende en 2 ps forsinkelsestid såvel som en komponent udvisende en forsinkelsestid på omkring 40 us. Efterfølgende repetitioner af sådanne kontrolstrålepulser, adskilt 8 DK 168897 B1 af tidsintervaller på mindre end 40 as, vil nødvendigvis resultere i en jævn forøget population i (indtil en stabil tilstand-population er etableret), hvilket vil blive manifesteret af en tilsvarende ikke-lineært optisk 5 respons, dvs. at responset vil inkludere en (relativ langsom) komponent, der udviser en forsinkelsestid på omkring 40 as. Som et resultat heraf vil formen af det ikke- lineære optiske respons ved cyklustider mindre end 40 as, hvilket svarer til repetitionsfrekvenser større end 4 10 2,5 x 10 Hz, være afhængig af repetitionsfrekvensen, dvs. den relative amplitude af den langsomme komponent vil forøges med forøget repetitionsfrekvens.

Det er yderligere fundet, at brugen af en kontrolstråle 15 med relativ kort bølgelængde (høj frekvens), f.eks. en kontrolstråle med en bølgelængde på 488 nm, selv ved relativt lave intensiteter, også resulterer i befolkning af i PDA-PTS, og således resulterer i et langsommere ikke-lineært optisk respons.

20

Opfindelsen beskrives under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 er en graf over absorptionskoefficienten, a, som 25 funktion af photonenergi og bølgelængde, t, for PDA-PTS; fig. 2 illustrerer det opfundne optiske system; fig. 3 og 5-9 viser udførelsesformer af den opfundne op-30 tiske behandlingsenhed; fig. 4 skitserer strukturen af PDA; fig. 10 viser det ikke-lineære optiske respons induceret 35 i PDA-PTS ved benyttelse af en enkelt kontrolstrålepuls med bølgelængde 625 nm, en varighed på 70 femtosekunder, 10 2 og en intensitet på ca. 10 W/cm ; DK 168897 B1 9 fig. 11-12 viser de resonante ikke-lineære optiske responser induceret i PDA-PTS under benyttelse af kontrol-strålepulser med identiske bølgelængder og varigheder men med forskellige intensiteter; 5 fig. 13 viser en anden udførelsesform for den opfundne optiske behandlingsenhed; og fig. 14 viser resultatet af et transient-absorptionsspek-10 troskopi eksperiment udført på en optisk behandlingsenhed af typen skitseret på fig. 13.

Opfindelsen omfatter et optisk system, f.eks. et optisk kommunikationssystem eller en optisk computer, der inklu-15 derer en eller flere optiske behandlingsenheder, hvor mindst en af disse enheder benytter, i det mindste delvist, ren optisk behandling. Denne enhed indeholder karakteristisk et materiale, f.eks. et organisk materiale, der udviser et ikke-lineært optisk respons ved en eller 20 flere resonante bølgelængder. Enheden inkluderer yderligere mindst en kilde af elektromagnetisk stråling, der afgiver en kontrolstråle, hvis bølgelængde, varighed og intensitet er valgt til at frembringe et resonant, ikke-lineært optisk respons i materialet, hvor varigheden af 25 responset er tilstrækkeligt kort, og således er fri for relativt langsomme komponenter selv ved repetitionsfre- 4 kvenser højere end 2,5 x 10 Hz (dvs. ved repetitionsfrekvenser, der giver relativt langsomme komponenter, når der benyttes varigheder og intensiteter som hos Carter et 10 30 al), eller højere end ca. 3,3 x 10 Hz (højere end opnåeligt med GaAs etaionen), eller endda højere end ca.

11 2,5 x 10 Hz (let opnået i PDA, ved brug af passende bølgelængde, varighed og intensitet).

35 Fig. 2 viser det opfundne optiske system 10, der inkluderer mindst en kilde 20 af elektromagnetisk stråling, f.eks. mindst en halvlederlaser, der der i optisk kommu- 10 DK 168897 B1 nikation med en eller flere enheder der behandler den elektromagnetiske stråling afgivet af kilden (eller kilderne) 20. Mindst en af disse behandlingsenheder er en behandlingsenhed 40 der anvender (i det mindste delvis) 5 ren optisk behandling. Systemet 10 inkluderer også mindst en detektor 60 for elektromagnetisk stråling, der er i optisk kommunikation med behandlingsenhed 40. I en udførelsesform af opfindelsen, kommunikerer kilden 20 med behandlingsenhed 40, der yderligere kommunikerer med detek-10 tor 60, gennem bølgeledere 30 og 50, som f.eks. optiske fibre (som vist på fig. 2). Alternativt kan den optiske kommunikation opnås ved transmittering af den ubehandlede og den behandlede elektromagnetiske stråling gennem, f.eks., luft eller vakuum.

15 I overensstemmelse med opfindelsen inkluderer behandlingsenhed 40 et område af materiale 42 (se fig. 3), der udviser en eller flere resonante bølgelængder, dvs. at materialet 42 udviser en absorptionskoefficient a større 4 -1 20 end eller lig med ca. 2 x 10 cm ved hver af sådanne bølgelængder. (Resonanserne frembragt ved disse bølgelængder er associeret en eller flere af forskellige materiale exitationer, f.eks. elektronisk exitation, vibra-tionsexitation, osv.). Enheden 40 inkluderer yderligere 25 en (eller flere) kilder 44 af elektromagnetisk stråling, til frembringelse af en (eller flere) kontrolstråler på en resonans bølgelængde eller bølgelængder. Karakteristisk vælges både materiale 42, såvel som varighed, intensitet og resonans-bølgelængde eller bølgelængder for kon-30 trolstrålen, således at der kun befolkes en energitilstand eller tilstande af materialet 42, hvilke tilstande har en forsinkelsestid mindre end ca. 40 us, eller mindre end ca. 15 ps, eller endda mindre end ca. 2 ps eller mindre. (Forsinkelsestiden for en energitilstand, betyder 35 det tidsinterval over hvilket den exiterede tilstandspopulations reduceres til 1/e af dens oprindelige størrelse) .

DK 168897 B1 11

Hvis varighed af kontrolstråleafgivelsen er længere end forsinkelsestiden af en eksisteret tilstand i materialet 42, vil den exiterede tilstand nødvendigvis blive genbe-folket, hvilket resulterer i et sammenhørende ikke-line-5 ært optisk respons, der har en varighed, der er længere end eller lig med varigheden af kontrolstråleafgivelsen.

For at opnå et ikke-lineært optisk respons, der har en forsinkelsestid r lige så kort som forsinkelsestiden for den exiterede tilstand, skal varigheden af stråleafgi-10 velsen være mindre end eller lig med forsinkelsestiden af den exiterede tilstand, (r angiver tidsintervallet ovér hvilket størrelsen af det ikke-lineære optiske respons falder til 1/e af dets oprindelige værdi).

15 Ved at benytte en cyklustid (tidsintervallet imellem efterfølgende kontrolstråleaf gi velser) lig med (eller længere end) ca. 2 τ er det fundet, at det resulterende re-sonante ikke-lineære optisk respons i materialet 42 er tilnærmelsesvis uden nogle langsomme komponenter selv ved 20 relativt høje repetitionsfrekvenser (frekvensen for kontrolstråleaf gi velse, hvilket er lig med den reciprokke cyklustid). For materialerne beskrevet i det nedenstående er det f.eks. fundet at være sandt for repetitionsfre- 4 kvenser højere end ca. 2,5 x 10 Hz (r lig med 40 us), 25 eller højere end ca. 3,3 x 1010 Hz (r lig med 15 ps), eller endda så højt som eller højere end ca. 2,5 x 1011 Hz (r lig med 2 ps). (I overensstemmelse med opfindelsen er det ikke-lineære optiske respons i materialet 42 tilnærmelsesvis uden nogen form for relativt langsomme kompo-30 nenter ved en specifik repetitionsfrekvens, forudsat at det fra starten uaktiverede materiale 42 efter 100 pulser af kontrolstråleafgivelse ved repetitionsfrekvenser frembringer et ikke-lineært optisk respons, der opfylder et specifikt kriterie. Dette kriterie er, at forholdet imel-35 lem størrelsen af responsmaksimum (i forhold til et nul defineret af det uaktiverede materiale) og størrelsen af responset efter et tidsinterval (efter puls nr. 100) sva- rende til cyklustiden, er lig med eller større end 10).

12 DK 168897 B1

Materialer, der udviser relativt korte (i exiteret tilstand) forsinkelsestider som beskrevet i det ovenstående, 5 findes let ifølge opfindelsen ved anvendelsen af en totrins fremgangsmåde. Det første trin i denne fremgangsmåde er at finde kondenserede fasematerialer, f.eks. faste eller flydende materialer, der har absorptionsspektre, der inkluderer resonans-bølgelængderne som beskrevet i 10 det ovenstående. I den forbindelse kan absorptionsspektrene for mange materialer findes i en lang række af referencer (se f.eks. CRC Handbook of Chemistry and Physics, redigeret af R.C. Weast (CRC Press, Inc., Boca Raton, Fla.), 60th editon, 1980), eller kan let måles ved 15 brug af konventionelle teknikker (angående disse teknikker se f.eks. P. Laszlo and P. Stang, Organic Spectroscopy (Harper & Row Publishers, N.Y.). 1971). Det andet trin i fremgangsmåden er at variere resonansbølgelængden, intensiteten og varigheden af kontrolstråleafgivelsen 20 indtil en bølgelængde-intensitet-varighedssammensætning (eller sammenhænge) er fundet, hvilket giver en exiteret tilstand (eller tilstande) ved den ønskede forsinkelses-tid. Tilstedeværelsen og varigheden af sådanne exiterede tilstanden detekteres let ved brug af konventionelle tek-25 nikker, som f.eks. tidsopløst absorptions spektroskopi eller tidsopløst luminescens (angående disse teknikker se f.eks. "An Apparatur for Obtaining Accurate Transient Absorption Spectra on the Picosecond Time Scale," af R.B. Weisman og B.T. Green i Multichannel Image Detectors, re-30 digeret af Y. Talmi [American Chemical Society, Washington, D.C., 1979]).

Materialer der udviser resonante bølgelængder af typisk organiske materialer, men dog ikke udelukkende disse. Som 35 tidligere nævnt er PDA et sådant materiale. I overensstemmelse med opfindelsen, er PDA en polymer med en struktur som vist på fig. 4. Her er R benævnelsen for DK 168897 B1 13 forskellige sidegrupper. En sådan sidegruppe kan f.eks. være paratoluensulfonat (PTS). Andre brugbare sidegrupper er beskrevet i "Structural Aspects of the Topochemical Polymerization of Diacetylenes", af V. Enkelmann i 5 Advances in Polymer Science 63 (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1984). Kendetegnende er det, at sidegrupperne kun spiller en mindre rolle ved definering af de optiske egenskaber af PDA, idet de typisk kun tjener til at flytte lang-bølgelængde absorptionsmaksimum for PDA, hvilket 10 maksimum typisk er lokaliseret ved ca. 630 nm (se f.eks. fig. 1, der viser absorptionskurven for PDAPTS).

Hvis f.eks. R er PTS, er det ved brug af den ovennævnte fremgangsmåde fundet, at PDA udviser både en relativt 15 kort-livet elektronisk energitilstand, der er S^, og en relativ lang-livet elektronisk tredelt tilstand, her benævnt T^. Ved brug af to ps lange pulser af kontrolstrå-leafgivelse er det fundet, at har en forsinkelsestid på ca. 2 ps, og at denne energitilstand er den eneste be-20 folket ved en exitationsbølgelængde på f.eks. 625 nm, forudsat at kontrolstråleintensiteten er mindre end eller 6 2 lig med ca. 4 x 10° W/cm . På den anden side er det fundet, at både S^ og T^ befolkes ved højere intensiteter, og at T1 har en forsinkelsestid på ca. 40 us.

25 S1 udviser ikke blot en relativ kort tidsforsinkelse, men fuldt ud lige så overraskende er det fundet, at det tilsvarende ikke-lineære optiske respons er meget større end man tidligere forestillede sig. Når f.eks. befolkes 30 (ved brug af ovenstående kontrolstråleresonant bølgelængde, varighed og intensitet), vil signalstråle-udsendelsen ved den tilsvarende resonantbølgelængde (på 625 nm), se (hvad der synes at være) en relativ stor ændring i brydningsindeks fra ca. 6,0 til ca. 5,95. Tilsvarende vil 35 signalstråleudsendelsen også se en ændring i absorptions- 5-1 5-1 koefficient fra ca. 8 x 10 cm til ca. 7,96 x 10 cm , hvilket er tilsvarende stort.

14 DK 168897 B1

Det er også fundet at befolkning af ikke blot frembringer en relativ stor ændring i brydningsindeks eller absorptionskoefficient i forhold til en resonanssignal-stråle, men, ret uventet, også frembringer en relativ 5 stor ændring i brydningsindeks og absorptionskoefficient i forhold til signalstråleafgivelse, der ikke har resonant bølgelængde. (De specifikke ikke-resonante bølgelængder, der påvirkes på denne måde, må generelt bestemmes eksperimentelt).

10

Et antal af optiske behandlingsenheder 40, der er i stand til at operere ved relativt høje repetitionsfrekvenser (i kraft af den korte forsinkelsestid i materialet 42), er blevet udviklet og er skitseret på fig. 5-9. F.eks. er 15 enheden 40 skitseret på fig. 5 en amplitudemodulator. Ved funktion benyttes en resonant kontrolstråle 46 (afgivet af en kilde 44) til at befolke en relativ kort-livet energitilstand, hvilket frembringer en ændring i absorption. Samtidigt rammer en resonant eller ikke-resonant 20 signalstråle 22 (afgivet af kilde 20) materialet 42, hvor det til dels absorberes, og således moduleres, dvs. ændres i intensitet.

Udførelsesformen af enhed 40 skitseret på fig. 6, er an-25 vendelig som f.eks. en demultiplexer. Ved funktion, interfererer to resonante kontrolstråler 46 og 48 (f.eks. afgivet af to kontrolstrålekilder) på en overflade af materiale 42 (i modsætning til en rumfangsområde af materiale 42), hvilket frembringer en periodisk intensitets-30 variation resulterende i en periodisk variation i brydningsindeks, og således i et diffraktionsglitter, på overfladen af materialet 42. Sammenfaldende med dannelsen af diffraktionsgitteret rammer en resonant eller ikke-resonant signalstråle 22 overfladen af materialet 42 og 35 kastes diffrakteret tilbage fra overfladen af materialet 42. Hvis signalstråle-udsendelsen 22 består af et antal af optiske pulser, der er multiplexet ind på en bølgele- DK 168897 Bl 1.5 der, f.eks. en optisk fiber, der benyttes til at kommunikere disse pulser til enhed 40, diffrakteres udvalgte pulser let, og demultiplexning opnås ved at styre dannelsen af diffraktionsgitter på overfladen af materialet 42.

5 For at undgå diffraktion af ikke-udvalgte pulser, skal tidsintervallet imellem pulser være større end eller lig med forsinkelsestiden af diffraktionsgitteret.

En tredie udførelsesform af enheden 40 er skitseret på 10 fig. 7, og kan benyttes som en omskifter. Udførelsesformen omfatter to krydsende plane bølgeledere 47 og 49. Bølgelederne kan f.eks. være tynde lag 42 af PDA udformet i en monomer krystal ved at udsætte udvalgte overfladeområder af krystallet for en stråle af energi, f.eks. en 15 varmestråle eller en stråle af elektroner. Angående denne teknik for polymerisering af PDA fra monomere krystaller se f.eks. J. Berrehar, C. Papersonne-Meyer og M. Schott, "Polydiacetylene Single Crystal Thin Films", Applies Physics Letters, Vol. 48, No. 10, 1986, pp. 630-631. Ved 20 funktion interfererer to resonante kontrolstråler 46 og 48 på et overfladeområde af den monomere krystal, hvilket område er fælles for de to plane bølgeledere, hvorved der dannes et diffraktionsgitter. Samtidigt udbreder en resonant eller ikke-resonant signalstråle 22 sig gennem en af 25 bølgelederne, f.eks. bølgelederen 47, for at diffrakteres (af diffraktionsgitteret), og skiftes således ind i en anden bølgeleder, f.eks. bølgeleder 49.

En fjerde udførelsesform af enheden 40 er skitseret på 30 fig. 8, og kan benyttes som modulator. Denne udførelsesform inkluderer en plan bølgeleder 47, f.eks. et tyndt lag 42 af PDA formet på et monomert krystallinsk substrat. Ved funktion integererer to resonante kontrolstråler 46 og 48 på den øverste overflade af bølgeleder 47, 35 og frembringer herved en periodisk variation i brydningsindeks. Samtidigt udbreder en signalstråle 22 sig gennem bølgelederen 47. Hvis afstanden d, imellem tilstødende 16 DK 168897 B1 minima i den periodisk brydningsindeksvariation, er lig med den halve bølgelængde af signalstråle-udsendelsen (i bølgelederen), da vil den periodiske variation i brydningsindekset fungere som en Bragg-reflektor, der reflek-5 terer signalstråle-afgiveisen. Ved at danne Bragg-reflektoren i udvalgte tidsøjeblikke moduleres signalstrålen 22, dvs. dens intensitet reduceres selektivt.

En femte udførelsesform af enhed 40 er skitseret på fig.

10 9, og denne er også anvendelig som modulator. Denne udfø relsesform (der er variant af den kendte Mach-Zender-om-skifter) inkluderer en bølgeleder 45, der forgrener sig til bølgelederne 47 og 49, der løber sammen igen og former en enkelt bølgeleder 45. Udførelsesformen omfatter 15 også et materialeområde 42 (udvisende et resonant, ikke-lineært optisk respons) overliggende en af bølgelederne skabt ved deling, f.eks. bølgelederen 47. I operation, udbreder en signalstråle 22 sig langs bølgelederen 45 (fra venstre til højre som det ses på fig. 9), og forgre-20 nes til to signalstråledele, der udbreder sig gennem bølgelederne 47 og 49. Ved at ramme materialeområdet 42 med en resonant kontrolstråle 46, frembringes der en ændring i brydningsindeks i materialeområdet 42, hvilket påvirker den del af signalstråle 22, der udbreder sig igennem den 25 underliggende bølgeleder 47. Denne ændring i brydningsindeks vil nødvendigvis resultere i en forskellig udbredelses-hastighed for signalstråledelene i bølgelederne 47 og 49, hvilket resulterer i en fase-forskel imellem de to stråledele, når bølgelederne 47 og 49 samles igen. Hvis 30 brydningsindeks-ændringen er stor nok og er til stede over en tilstrækkelig lang banelængde, da kan en faseforskel på ί let opnås. Som en konsekvens vil signalstråledelene interferere destruktivt med hinanden ved samling af bølgelederne 47 og 49, hvorved den resulterende enkle 35 stråle vil få en formindsket intensitet. Ved selektivt at ramme materialeområdet 42 med kontrolstrålen 46, moduleres signalstrålen 22 let.

DK 168897 B1 17

Som nævnt i det ovenstående er GaAs-etaionen, der er beskrevet af J.L. Jewell et al, anvendelig som en optisk behandlingsenhed. Udover at den ikke kan nå repetitions- 10 frekvenser højere end ca. 3,3 x 10 Hz, har denne enhed 5 dog andre begrænsninger. F.eks. udviser etaionen et antal transmissionsspidser, når kontrolstråleafgivelsen udebliver, hvor hver spids er centreret om en bølgelængde givet ved ligningen 10 mXn/2 “ n1· (1)

Her, betegner m et positivt heltal (m = 1, 2, 3....), n betegner brydningsindekset for GaAs (før det rammes af kontrolstrålen), og 1 betegner tykkelsen af GaAs. Karak-15 teristisk vælges bølgelængden af kontrolstrålen, ved brug af etaionen, således at den sammenhørende photonenergi er større eller lig med bånd-mellemrummet for GaAs, f.eks. vælges kontrolstråle-bølgelængden til 800 nm (som nævnt i det ovenstående). Som en konsekvens absorberes kontrol-20 stråle-afgivelsen, hvilket resulterer i dannelse af elek-tron-hulpar inden i GaAs. Som tidligere nævnt, frembringer tilstedeværelsen af disse elektron-hulpar en betydelig ændring i brydningsindekset af GaAs, men kun i et snævert område af bølgelængder af elektromagnetisk ud-25 stråling, dvs. ved stuetemperatur, et område fra ca. 870 nm (den bølgelængde, hvis sammenhørende photonenergi er lig med bånd-mellemrumsgrænsen i GaAs) til ca. 900 nm.

Ved at vælge tykkelsen 1 af GaAs således, at en af etaionens transmissionsspidser ligger indenfor det ovennævnte 30 30 nm bølgelængdeområde, f.eks. på 890 nm, da vil bryd ningsindeksvariationen, der indiceres af kontrolstrålen, tjene til at frembringe et tilsvarende skift i bølgelængde-positionen for transmissionsspidsen (hvor flytningen kan udregnes ved brug af ligning 1). Hvis bølgelængden af 35 signalstrålen vælges til at være transmissionsspidsens bølgelængde (den oprindelige uændrede), frembringer det efterfølgende skift i transmissionsspidsen (induceret af DK 168897 B1 18 kontrol strålen) derfor en formindskelse i transmissionen af signalstrålen (og en sammenhørende forøgelse i størrelsen af signalstråleafgivelse reflekteret fra etaionen), hvorved der opnås den ønskede signalstråle-behand-5 ling. Da GaAs-etalonen er ude af stand til at frembringe betydelige skift i transmissionsspidserne positionering ved bølgelængder større end ca. 900 nm, er denne etaion ude af stand til at behandle signalstråler med bølgelængder med nuværende kommerciel betydning, f.eks. bølgelæng-10 der på 1,31 um og 1,55 vm, der på nuværende tidspunkt benyttes i optisk fibre-kommunikationssystemer. (På nuværende tidspunkt, har kommercielt tilgængelige silicium optiske fibre minimal dispersion ved bølgelængder på ca.

1,31 fim, mens de minimale tab opnås ved bølgelængder på 15 ca. 1,55 μπι).

GaAs-atalonen har ikke blot begrænsninger i kraft af den maksimalt opnåelige repetitionsfrekvens, og i kraft af de signalstråle-bølgelængder den er i stand til at behandle, 20 men er også begrænset i kraft af en vis adskillelsesopløsning. Det har været foreslået, at par af kontrol- og signalstråler samtidigt rammer separate områder af GaAs-etalonen, for at opnå samtidig parallel behandling signalstråler. Men elektron-hulpar dannet i et område af 25 GaAs (som resultat af kontrolstråleabsorption) har en levetid på ca. 20 ns, i løbet af hvilken de kan bevæge sig ca. 20 um. For at undgå mulige krydstale, resulterende fra diffusionen af elektron-hulpar fra en adskilt del af GaAs-etalonen (hvor en første signalstråle behandles) til 30 et andet adskilt område (hvor en anden signalstråle behandles ), skal dimensionerne imellem disse adskilte regioner være større end ca. 20 um, hvilket begrænser antallet af signalstråler, der kan behandles samtidig af etaionen.

En anden begrænsning ved GaAs-etalonen er dens følsomhed over for temperatur. Temperaturændringer forårsager skift 35 DK 168897 B1 19 i ledningsbåndgrænsen i forhold til valensbåndet i GaAs. Dette båndgrænseskift resulterer i en betydelig ændring i brydningsindekset, hvilket har betydning for flytning af transmissionsspidser for etaionen, og specielt den trans-5 missionsspids, hvis bølgelængde ligger nærmest på båndmellemrumsgrænsen. Som et resultat forringens enhedens egnethed til at behandle en signalstråle med en bølgelængde, der er lig med bølgelængden for den ikke ændrede transmissionsspids.

10

Det er fundet, at erstattelse af GaAs med mange af de materialer 42, der er anvendelige i de ovenstående udførelsesformer af den optiske behandlingsenhed 40, resulterer i etaioner, der ikke er i besiddelse af GaAs-etalonens 15 begrænsninger. Det er fundet, at mange materialer 42 (der udviser resonante, ikke-lineære optiske responser med forsinkelsestider mindre end, f.eks. ca. 40 ms, eller mindre end ca. 2 ns, eller mindre end ca. 15 ps, eller mindre end eller lig med ca. 2 ps) ofte også udviser in-20 ducerede absorptioner (med tilsvarende korte forsinkelsestider) ved andre bølgelængder. (I overensstemmelse med opfindelsen, er en induceret absorption karakteriseret ved en håndgribelig ændring i absorption pr. indfaldende absorberet (foton) energi pr. arealenhed (en størrelse 2 25 der f.eks. har enheden cm pr. pJ) og/eller en håndgribelig ændring i brydningsindeks pr. indfaldende absorberet (foton) energi pr. arealenhed (hvilket f.eks. har enheden 2 cm /pJ). I denne henseende er en håndgribelig ændring i absorption pr. indfaldende absorberet (foton) energi pr.

30 arealenhed, en ændring, der i absolutte tal er større end eller lig med ca. 10 cm /pJ, mens en håndgribelig ændring i brydningsindeks pr. indfaldende absorberet (foton) energi i absolutte tal er større end eller lig med 2 ca. 10 cm /pJ. Det er yderligere fundet, at mange af ma-35 terialerne 42 også udviser håndgribelige ikke-lineære optiske respons ved ikke-resonante bølgelængder, hvilket også har forsinkelsestider mindre end f.eks. ca. 40 ms, 20 DK 168897 B1 eller mindre end ca. 2 ns, eller mindre end ca. 15 ps eller mindre end eller lig med 2 ps, og hvilket også fører til samme type af inducerede absorptioner (med tilsvarende korte forsinkelsestider), som beskrevet i det oven-5 stående. (Af betydning for opfindelsen, udviser et materiale et håndgribeligt ikke-lineært optisk respons ved en ikke-resonant bølgelængde, hvis absorptionskoefficienten 4 -1 a ved denne bølgelængde er mindre end ca. 2 x 10 cm 3 -1 men større end eller lig med ca. 1 x 10 cm ). Yderlige-10 re er det fundet, i mange tilfælde, at bølgelængderne ved hvilke de inducerede absorptioner forekommer ofte er højere end ca. 0,90 um, at de inducerede absorptioner ofte rækker over bølgelængdeområder større end ca. 30 nm, og at de inducerede absorptionsbølgelængder ofte inkluderer 15 kommercielt betydningsfulde bølgelængder.

Hvis et materiale 42 udvisende inducerede absorptioner af den ovenstående beskrevne type ved en eller flere bølgelængder benyttes i en etaion, hvis de inducerede absorp-20 tioner primært fører til, f.eks. håndgribelige forøgelser i absorption pr. indfaldende absorberede (foton) energi pr. arealenhed, og hvis tykkelsen af etaionen er valgt til at frembringe etalon-transmissionsspidser ved den inducerede absorptionsbølgelængde, da vil en indfaldende 25 (resonant- eller ikke resonant-bølgelængde) kontrolstråle på etaionen nødvendigvis frembringe en signifikant forøgelse i absorptionen ved de inducerede absorptionsbølgelængder, og derfor ligeledes frembringe en håndgribelig reduktion i størrelserne af transmissionsspidserne. Hvis 30 signalstrålen, der rammer etaionen, har en bølgelængde, der er lig med en af etaionens transmissionsspidser, vil signalstrålens transmission blive håndgribeligt reduceret, og refleksionen fra etaionen vil tilsvarende forøges, når etaionen rammes af kontrolstrålen, hvilket re-35 suiterer i behandling af signalstrålen. Som beskrevet mere detaljeret i det nedenstående, vælges materialet 42 og kontrolstrålen let, således at det tillader behandling af DK 168897 B1 21 en signalstråle med en bølgelængde større end 0,90 um, f.eks. 1,31 »un eller 1,55 um, hvilket ikke er muligt med GaAs-etaionen. Hvis det ikke-lineære optiske respons og den inducerede absorption i materialet 42 har forsinkel-5 sestider mindre end ca. 15 ps (materialer udvisende sådanne forsinkelsestider findes let, som beskrevet i det nedenstående) opnås yderligere, at etaionen vil kunne operere ved repetitionsfrekvenser højere end ca. 3,3 x 10^ Hz, hvilket ikke kan opnås med GaAs-etalonen.

10

Materialer 42, der udviser både et ikke-lineært optisk respons, dvs. et resonant, ikke-lineært optisk respons og/eller et håndgribeligt ikke-lineært optisk respons ved en ikke-resonant bølgelængde, og en tilhørende induceret 15 absorption ved en bølgelængde større end, f.eks. ca. 0,90 um og/eller strækkende sig over et bølgelængdeområde større end ca. 30 nm, hvor det ikke-lineære optiske respons og den inducerede absorption har relativ korte forsinkelsestider, beskrevet i det ovenstående, findes let 20 ved anvendelse af den tidligere beskrevne to-trins fremgangsmåde. Dvs. at der i første trin søges materialer i kondenseret fase, der har absorptionsspektre, der inkluderer resonante bølgelængder og/eller ikke-resonante bølgelængder udvisende håndgribelig, ikke-lineær optisk re-25 spons. Under det andet trin varieres bølgelængden, intensiteten og varigheden af kontrolstråleafgivelsen indtil en bølgelængde-intensitet-varighed sammenhæng (eller sammenhænge) er fundet, hvilken giver et resonant eller ikke-resonant, ikke-lineært optisk respons og en induceret 30 absorption ved den ønskede bølgelængde eller bølgelængder, hvor der samtidigt opnås de ønskede forsinkelsesti-der. Tilstedeværelsen, og varigheden, af det resonante eller ikke-resonante, ikke-lineære optiske respons og de inducerede absorptioner detekteres let, f.eks. ved brug 35 af konventionelle teknikker for tidsopløst absorptions-spektroskopi (se f.eks. R.B. Weisman og B.I. Greene).

DK 168897 B1 22

Ved brug af den ovennævnte fremgangsmåde, er det f.eks. for PDA-PTS fundet, at en enkelt påvirket tilstand, der forsinkes i forhold til grundtilstanden (via en relativ kort-livet mellemliggende tilstand) over en forsinkelses-5 tid på ca. 2 ps, let befolkes ved brug af en kontrolstrå-lepuls med en resonant bølgelængde på 0,64 um, en varighed på 0,2 ps (fuld bredde ved halv maximum) og en intensitet (forholdet imellem pulsenergi og pulsbredde, pr.

8 2 arealenhed) på 5 x 10 W pr. cm . Yderligere resulterer 10 befolkning af denne påvirkede tilstand i inducerede absorptioner, der primært er karakteriserede ved håndgribelig forøgelse af absorption pr. indfaldende absorberede (foton) energi pr. arealenhed, gældende for stort set alle bølgelængder strækkende fra ca. 0,7 um op til mindst 15 1,7 um, inkluderende bølgelængderne på 1,31 um og 1,55 um, og udvisende forsinkelsestider på ca. 0,8 ps. (Eksistensen af disse inducerede absorptioner er kun blevet målt op til 1,7 um, og kan også forekomme ved højere bølgelængder). En etaion, der indeholder PDA-PTS tillader 20 således optisk behandling af signalstråleafgivelse, der har bølgelængder som på nuværende tidspunkt favoriseres i optiske fiberkommunikationssystemer, tillader signalstrålebehandling strækkende sig over et område af bølgelængder meget større end 30 nm, og tillader at dette foregår 25 ved repetitionsfrekvenser på f.eks. 2,5 x 10 Hz.

Hvis materialet 42 vælges til at udvise, f.eks. en aktiveret tilstand og en induceret absorption, der har forsinkelsestider mindre end elektron-hulparrene frembragt i 30 GaAs, dvs. en forsinkelsestid mindre end ca. 15 ps, og hvis energioverførelseshastigheden i forbindelse med aktivering af materialet 42 er lig med elektronhuldiffusionshastigheden i GaAs, da vil denne energi (i forbindelse med aktivering af materialet 42) under den relative 35 korte forsinkelsestid af den aktiverede tilstand og inducerede absorption udbrede sig over en afstand der er mindre end den afstand, der tilbagelægges af elektron- DK 168897 B1 23 hulpar i GaAs under denne længere forsinkelsestid. En etaion, hvor der anvendes et materiale 42, vil derfor være i stand til at omgå endnu en af begrænsningerne i GaAs-etaionen, dvs. den vil være i stand til samtidigt at 5 behandle flere signalstråler end en GaAs-etalon med samme størrelse.

Som tidligere nævnt er materialerne 42 typisk (dog ikke udelukkende) organiske materialer, i stedet for uorganis-10 ke halvledende materialer, som det er tilfældet med GaAs.

Af betydning er det fundet, at udformningen af etaioner med organisk materiale, ikke er nær så følsomme over for temperaturvariationer som udformningen af etaioner indeholdende GaAs.

15

Som et resultat af de ovenstående opdagelser, er der udviklet en ny udførelsesform for den optiske behandlingsenhed 40, der er anvendelig i det ovenstående optiske system 10. Denne nye udførelsesform er skitseret på fig. 13 20 og inkluderer en etaion 70, såvel som en kilde 44 (se fig. 3) til kontrolstråleafgivelse 46. Etaionen 70 inkluderer et materialeområde 42 indskudt imellem to materialeområder 64, der har indadvendende (som det ses på fig.

13), spejlende overflader 66. Materialeområdet 42 er 25 valgt til at udvise et resonant, ikke-lineært optisk respons og/eller et håndgribeligt ikke-lineært optisk respons ved en ikke-resonant bølgelængde, og en sammenhørende, induceret absorption, ved en eller flere bølgelængder, med relativt korte forsinkelsestider, som be-30 skrevet i ovenstående. Det foretrækkes, at den inducerede absorption forekommer ved en bølgelængde større end ca.

0,90 um og/eller strækker sig over et bølgelængdeområde større end ca. 30 nm.

35 Hvert af de to materialeområder 64, der typisk inkluderer dielektriske materialer som f.eks. magnesiumfluorid eller zinksulfid, har begge en indadvendende overflade 66 og DK 168897 B1 24 udadvendende overflade 68. Det er betegnende, at de to udadvendende overflader 68 er udformet således, at de udviser relativ lav refleksion over for både kontrolstrålen 46 og signalstrålen 22, dvs. at overfladerne 68 er udfor-5 met til at reflektere mindre end ca. 5 % af indfaldende elektromagnetisk stråling ved kontrolstråle og signal-strålebølgelængder (for at tillade kontrol og signalstråler at trænge igennem til det indre af etaionen). Denne relativt lave refleksion opnås, f.eks. ved anvendelse af 10 konventionelle (enkeltlags) antirefleksionshinder på overfladerne 68. Mindst én af de indadvendende overflader 66, dvs. den overflade 66, der først rammes af kontrolstrålen, er udformet til at udvise relativ lav refleksion (som defineret i det ovenstående) over for elektromagne-15 tisk stråling ved kontrolstrålens bølgelængde, mens begge indadvendende overflader er udformet til at udvise relativ høj refleksion (dvs. en refleksion større end ca. 50 %) over for elektromagnetisk stråling ved signalstrålens bølgelængde. Denne forskel i refleksion ved de to bølge-20 længder opnås, f.eks. ved anvendelse af konventionelle multilags hinder på overfladerne 66. Under operation af etaion 70 må bølgelængden af signalstrålen 22 nødvendigvis være lig med en af de inducerede-absorptionsbølgelængder. Tykkelsen af materialeområdet 42 vælges således, 25 at der frembringes en etalon-transmissionsspids ved denne specifikke inducerede-absorptionsbølgelængde. Generelt foretrækkes en tykkelse af materialeregionen 42, der er mindre end ca. 50 urn. Tykkelser større end ca. 50 um er ikke udelukkede, men er mindre ønskelige, da de fører til 30 relativt lave kontrastforhold for enheden.

Det er betegnende, at etaionen skitseret på fig. 13 er anvendelig til opnåelse af amplitudemodulation, såvel som tidsdelt eller bølgelængdedelt multiplexning eller demul-35 tiplexning. I det tilfælde, hvor f.eks. en enkelt signalstråle 22 skal moduleres, da vil selektiv påvirkning af etaionen med kontrolstråle 46 frembringe et skift og/el- DK 168897 B1 25 ler en ændring i amplituden af transmissionsspidsen oprindeligt centreret ved en bølgelængde lig med signal-strålebølgelængden, selektiv reducering af transmissionen af signalstrålen gennem etaionen, hvorved der opnås den 5 ønskede amplitudemodulation. Hvis en enkel ikke-moduleret signalstråle, f.eks. en signalstråle med konstant intensitet, rammer etaionen med en bølgelængde lig med en af etaionens transmissionsspidser, og hvis etaionen også rammes af to eller flere modulerede, dvs. informationsin-10 deholdende, kontrolstråler 46, da vil informationen indeholdt i kontrolstrålerne blive overført til den oprindelige ikke-modulerede kontrolstråle, resulterende i skabelse af en tidsdel multiplexet signalstråle. Tilsvarende hvis materiale 42 udviser induceret absorption ved to el-15 ler flere bølgelængder, hvis etaionen har transmissionsspidser ved disse bølgelængder, og hvis etaionen rammes af en enkelt, ikke-moduleret signalstråle, der har bølgelængder omsluttende etaionens transmissionsspidser, da vil en eller flere informationsindeholdende kontrolstrå-20 ler 46, der rammer etaionen, kunne transformere den enkelte ikke-modulerede signalstråle til en bølgelængdedelt multiplexet signalstråle. Modsat hvis etaionen rammes af en tidsdelt eller bølgelængdedelt multiplexet signalstråle, hvor selektiv påvirkning af etaionen med en eller 25 flere kontrolstråler 46 vil resultere i en eller flere signalstråler indeholdt i den tidsdelte eller bølgelængdedelte, multiplexede signalstråle, der selektivt reflekteres fra etaionen og således har opnået demultiplexning.

30 EKSEMPEL 1

En uregelmæssigt formet mængde af PDA-PTS, med længde og breddedimensioner på ca. 1 cm, og en tykkelse på ca. 2 mm, blev formet ved termisk at polymerisere en monomer 35 krystal ved anvendelse af teknikken beskrevet i J. Berrehar et al. ovenfor. Denne mængde omfattende en naturlig forekommende facet (en overflade), der indeholdt DK 168897 B1 26 b-aksen af krystallen (dvs. at b-aksen var parallel med planet defineret af facetten) og havde længde og breddedimensioner på ca. 1 cm.

5 En enkelt forstærket, mode-locked farvestoflaser (CPM) låst til en kolliderende puls blev benyttet til at frembringe både signal og kontrolstrålemes optiske pulser, der blev sendt ind på PDA-PTS-facetten. Laseren frembragte lyspulser med en repetitionsfrekvens på 10Hz med bøl-10 gelængden centreret omkring 625 nm (FWHM 7 nm), en varighed på 70 femtosekunder, og med en energi på 400 mikro-joule pr. puls. Ved operation blev hver puls afgivet af laseren delt (ved brug af konventionelle stråledelings-principper) til to pulser, dvs. en signalstrålepuls og én 15 kontrolstrålepuls, og en af pulserne (signalstrålepulsen) blev variabelt forsinket (ved brug af konventionelle optiske forsinkelseslinier) i forhold til den anden puls (kontrolstrålepulsen).

20 Kontrolstrålepulserne afgivet af laseren blev fokuseret (ved brug af konventionelle linser) på PDA-PTS-facetten, således at de havde en pletstørrelse med en diameter på ca. 1 mm. Før fokuseringen blev hver kontrolstrålepuls variabelt dæmpet ved brug af konventionelle neutrale fil-25 tre for at variere kontrolstrålens intensitet. Hver kontrolstrålepuls blev yderligere sendt igennem et polariseringsfilter for at opnå en kontrolstrålepolarisation parallel med b-aksen i krystallen.

30 Hver signalstrålepuls blev fokuseret (med konventionelle linser) ind i en vandfyldt cuvette med en 3 cm lang optisk banelængde for at opnå kontinuum generation, dvs. for at frembringe en spektralt bredere laserpuls af essentielt uændret varighed (70 femtosekunder). Den resul-35 terende kontinuum-puls passerede derefter igennem et spektral notchfilter, centreret (i bølgelængde) ved 625 nm (med en FWHM på 9 nm), for at udvælge de ønskede bøl- DK 168897 B1 27 gelængder. Den spektralt filtreret puls blev derefter sendt igennem et neutralt gråfilter, for at opnå en sig-nalstråleintensitet mindre end den tilsvarende kontrol-strålepuls-intensitet. Hver signalstrålepuls blev yderli-5 gere sendt igennem et polariseringsfilter for at opnå en signalstrålepolarisation, der var identisk med kontrol-strålepolarisationen. Den resulterende signalstrålepuls blev derefter fokuseret (med konventionelle linser) på facetten, således at den ramte samme punkt som kontrol-10 strålepulsen.

En konventionel 50/50 stråledeler (beam splitter) blev placeret i signalstrålens bane for at lede en del af sig-nalstråleafgivelsen væk fra facetten og over til en før-15 ste siliciumfotodiodedetektor. Den resterende del af sig-nalstråleafgiveisen, der ramte facetten, blev reflekteret og detekteret af en anden siliciumfotodiodedetektor.

Signalerne frembragt af de to detektorer blev trukket fra 20 hinanden for at frembringe et resulterende signal. Ved udeblivelsen af kontrolstrålepulsen var der ingen ændring i størrelsen af det resulterende signal. Men når kontrol-strålepulser ramte facetten, blev der frembragt en ændring i refleksion ar via det resonante, ikke-lineære op-25 tiske respons, hvilket resulterede i en ændring af størrelsen af det resulterende signal.

Den tidsbestemte komponent eller komponenter af det resonante, ikke-lineære optiske respons induceret i PDA-PTS 30 blev kortlagt ved måling, og ændringen, af AR som funktion af forsinkelsestiden for forskellige forsinkelsestider og forskellige intensiteter af kontrolstrålepulsen blev plottet. Et sådant plot er vist på fig. 10 for tilfældet, hvor kontrolstrålepulsens intensitet var lig med 10 2 35 10 W/cm . Analyse af disse plot indikerer eksistensen af en første, relativ kort-livet tidskomponent, der har en forsinkelsestid på ca. 2,0 ps, og en anden, meget læn- DK 168897 B1 28 gere levende tidskomponent.

En reducering af kontrolstrålepulsens intensitet gav et reduceret (sammenlignet med signalet vist på fig. 10) re-5 suiterende signal. Betegnende blev den anden tidsbestemte komponent mere reduceret end den første.

EKSEMPEL 2 10 PDA-PTS-prøven beskrevet ovenfor blev igen udsat for signal og kontrolstrålepulser, hvor signalstrålepulserne blev variabelt forsinket som beskrevet ovenfor. Dog blev hver kontrolstrålepuls, inden den ramte facetten, opdelt i to pulser ved en konventionel 50/50 stråledeler. De 15 delte kontrolstrålepulser tilbagelagde baner af identisk længde før de via spejle blev genkombineret på overfladen af facetten. Disse rekombinerede pulser, der mødtes igen under en vinkel på ca. 16°, interfererede med hinanden på facetoverfladen, og frembragte et periodisk intensitets-20 mønster, der, via det resonante ikke-lineære optiske respons, tjente til reflektivt at opspalte den del af sig-nalstrålepulsen der ramte facetten.

I stedet for at subtrahere signalerne frembragt af de to 25 detektorer fra hinanden, blev forholdet imellem de to signaler taget (forholdet imellem det detektor-signal frembragt af den opspaltede del af signalstrålepulsen og det detektorsignal frembragt af den omdirigerede del af signalstrålepulsen) for at frembringe et resulterende 30 signal. Et sådant resulterende signal er, for tilfældet, hvor de interfererende kontrolstrålepulser havde intensi-9 2 teten 6 x 10 W pr. cm , vist på fig. 11. Analyser indikerer, at dette resulterende signal inkluderer både de relativt kortlivede og lang-livede tidsbestemte komponen- 35 ter beskrevet ovenfor. Reducering af intensiteten af de 8 2 interfererende kontrolstrålepulser til 6 x 10 W pr. cm giver det resulterende signal vist på fig. 12. Her indi DK 168897 B1 29 kerer analyser, at praktisk taget kun den relativ kortlivede tidsmæssige komponent er til stede.

EKSEMPEL 3 5

En PDA-PTS enkel krystalfilm med en tykkelse på ca. 1,7 am blev dyrket ved brug af teknikken beskrevet af M. Thakur og S. Meyler i "Growth of Large-Area Thinfilm Single Crystals of Poly (diacetylenes)", Macromolecules, 10 Vol. 18 s. 2341, 1985.

Transient-absorptionsspektroskopiteknik, der er beskrevet af R.B. Weisman og B.I. Greene ovenfor, blev benyttet til at detektere inducerede absorptioner i PDA-PTS. En enkelt 15 mode-locked (CPM) farvestoflaser låst til en kolliderende puls blev benyttet til at frembringe optiske pulser med en bølgelængde på 630 nm og varigheder på 200 femtosekun-der. Disse pulser blev forstærket af en neodymium-YAG pumpet farvelaser/forstærker for at opnå pulsenergier på 20 500 mikrojoule. Hver (forstærket) optisk puls genereret af CPM-laseren blev delt (ved benyttelse af konventionelle stråledelere) til to pulser, dvs. en signalstrålepuls og en kontrolstrålepuls. En af disse pulser (signalstrå-lepulsen) blev variabelt forsinket (ved brug af konven-25 tionelle optiske forsinkelseslinier) i forhold til den anden puls (kontrolstrålepulsen), før begge pulser ramte PDA-PTS, for at undersøge den tidsmæssige respons af PDA-PTS. Både kontrol- og signalstrålernes pletstørrelse på overfladen af PDA-PTS var omkring 1 mm i diameter, og 30 kontrolstrålens energi, på PDA-PTS-overfladen, var omkring 1 mikrojoule. Konventionelle fotodioder blev benyttet til at detektere signalstrålepulser transmitteret af PDA-PTS.

35 Hver signal- og kontrolstrålepuls blev også udsat for kontinuum generationsteknikken, beskrevet i eksempel 1, for at opnå spektralt bredere pulser, dvs. optiske pulser DK 168897 B1 30 hvis bølgelængder svinger fra ca. 0,4 am til ca. 1,7 am.

De spektralt udvidede kontrolstrålepulser blev dog sendt igennem et spektralt afskæringsfilter, der kun transmitterede lys ved 640 (+5) nm, således at man opnåede kon-5 trolstrålepulser med en bølgelængde på 640 nm. Derefter blev det tidsmæssige respons af PDA-PTS målt ved (signalstråle) bølgelængder svingende fra ca. 0,4 μπι til ca. 1,7 am.

10 Resultatet af den ovennævnte spektroskopiteknik indikerede klart tilstedeværelsen af inducerede absorptioner i PDA-PTS (som funktion af kontrolstrålepulsen) i et bølgelængdeområde fra ca. 0,7 am til omkring 1,7 am og med forsinkelsestider på ca. 0,8 ps.

15 EKSEMPEL 4

En etaion blev fremstillet ved at benytte optisk klæbemiddel til at fastgøre PDA-PTS-filmen fra eksempel 3 til 20 to dielektrisk-betrukne spejle, indkøbt fra CVI Corporation of Albuquerque, New Mexico. Disse spejle var udformet til at være 95 % reflekterende over for 0,96 am lys (men også 95 % reflekterende over for 1,0 am lys) og mere end 85 % transmitterende for 0,64 am lys.

25

Transient-absorptionsspektroskopiteknikken fra eksempel 3 blev benyttet til at opnå det tidsmæssige respons for etaionen for forskellige signalstrålebølgelængder som en funktion af forsinkelsestiden imellem kontrol og signal-30 strålepulserne. En sådan tidsmæssig optagelse er vist på fig. 14 og svarer til tilfældet, hvor signalstråle-punkt-størrelsen var omkring 25 am, kontrolstråle-punktstørrel-sen var omkring 100 am og kontrolstrålepulsenergien var ca. 8 nanojoule. Denne optagelse viser en transient-35 ændring i transmissionen af etaionen ved en bølgelængde på ca. 1,0 am (en transmissionsspids for etaionen). Optagelsen indikerer også at transient-ændringen har en forsinkelsestid på ca. 1 ps.

Claims (13)

1. Et optisk system omfattende: 5 midler (20) til frembringelse af mindst en signalstråle (22); midler (44) til frembringelse af mindst en pulset styre-10 stråle (46); og et optisk ikke-lineært materiale (42) konfigureret således, at nævnte mindst ene signalstråle styres ved ændring i de optiske egenskaber for det ikke-lineære mate-15 riale i afhængighed af nævnte mindst ene styrestråle; kendetegnet ved, at det ikke-lineære materiale i det væsentlige er GaAs-20 frit og har en absorptionskoefficient, der, for lys ved 4 nævnte ene styrestråles bølgelængde, mindst er 2 x 10 _1 cm og har iboende resonantexcitation med en exciteret tilstand med en henfaldstid r mindre end 15 ps og med mindst en exciteret tilstand med en henfaldstid, der er 25 lang sammenlignet med r, men er mindre end 40 με; og at de styrestrålefrembringende midler er arrangeret således, at en intensiteten og pulsbredden af den i det mindste ene styrestråle er således, at der i væsentlige ikke vil forekomme nogen excitation af enhver af de tilstande, der 30 har en lang henfaldstid; hvor pulsrepetitionsfrekvensen for den nævnte ene styrestråle er mindre end eller lig 4 med 1/(2-r), men større end 1,25 x 10 Hz.

2. Optisk system ifølge krav 1, kendetegnet 35 ved, at det ikke-lineære materiale er anbragt i en etaion. DK 168897 Bl 32

3. Optisk system ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det ikke-lineære materiale udviser en induceret absorption ved signalstrålens bølgelængde i afhængighed af styrestrålen. 5

4. Optisk system ifølge krav 3, kendetegnet ved, at tykkelsen af det ikke-lineære materiale er således, at der tilvejebringes en transmissionsspids for etaionen ved signalstrålens bølgelængde. 10

5. Optisk system ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den inducerede absorption strækker sig over et bølgelængdeområde, der er større end omkring 30 nm.

6. Optisk system ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den inducerede absorption forekommer ved en bølgelængde, der er beliggende omkring 1,31 am.

7. Optisk system ifølge krav 3, kendetegnet 20 ved, at den inducerede absorption forekommer ved en bølgelængde, der er beliggende omkring 1,55 am.

8. Optisk system ifølge krav 3, kendetegnet ved, at sammensætningen af det ikke-lineære materiale er 25 valgt med henblik på at opnå en induceret absorption ved en bølgelængde, der er større end 0,9 um.

9. Optisk system ifølge et vilkårligt af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at det ikke-lineære ma- 30 terialer indeholder organisk materiale.

10. Optisk system ifølge krav 9, kendetegnet ved, at det organiske materiale indeholder polydiacety-len. 35

11. Optisk system ifølge et vilkårligt af de ovenstående krav, kendetegnet ved, at det ikke-lineære 33 DK 168897 B1 materiale er indrettet til at tilvejebringe en amplitude-modulator.

12. Optisk system ifølge et vilkårligt af kravene 1-10, 5 kendetegnet ved, at det ikke-lineære materiale er indrettet til at tilvejebringe en demultiplexer.

13. Optisk system ifølge et vilkårligt af kravene 1-10, kendetegnet ved, at det ikke-lineære materiale 10 er indrettet til at tilvejebringe en switch. 15 20 25 30 35