HU225834B1 - Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem - Google Patents

Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem Download PDF

Info

Publication number
HU225834B1
HU225834B1 HU0002588A HUP0002588A HU225834B1 HU 225834 B1 HU225834 B1 HU 225834B1 HU 0002588 A HU0002588 A HU 0002588A HU P0002588 A HUP0002588 A HU P0002588A HU 225834 B1 HU225834 B1 HU 225834B1
Authority
HU
Hungary
Prior art keywords
light
waveguide
optical
grid
refractive index
Prior art date
Application number
HU0002588A
Other languages
English (en)
Inventor
Pal Dr Ormos
Andras Dr Der
Original Assignee
Mta Szegedi Biolog Koezpont Bi
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mta Szegedi Biolog Koezpont Bi filed Critical Mta Szegedi Biolog Koezpont Bi
Priority to HU0002588A priority Critical patent/HU225834B1/hu
Publication of HU0002588D0 publication Critical patent/HU0002588D0/hu
Priority to AU2002218788A priority patent/AU2002218788A1/en
Priority to PCT/HU2001/000077 priority patent/WO2002005017A1/hu
Priority to EP01984183A priority patent/EP1301821A1/en
Publication of HUP0002588A2 publication Critical patent/HUP0002588A2/hu
Priority to US10/337,348 priority patent/US6956984B2/en
Publication of HU225834B1 publication Critical patent/HU225834B1/hu

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0126—Opto-optical modulation, i.e. control of one light beam by another light beam, not otherwise provided for in this subclass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/011—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/011—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass
    • G02F1/0115—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass in optical fibres
    • G02F1/0118—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass in optical fibres by controlling the evanescent coupling of light from a fibre into an active, e.g. electro-optic, overlay
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/30—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating
    • G02F2201/302—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 grating grating coupler
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/02—Materials and properties organic material
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/13—Materials and properties photorefractive
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/14—Materials and properties photochromic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Description

A leírás terjedelme 16 oldal (ezen belül 6 lap ábra)
HU 225 834 Β1
A találmány tárgyát teljesen fénnyel vezérelhető, integrált optikai eszközök képezik, amelyek nemlineáris optikai tulajdonságú anyagként fehérjét tartalmaznak, továbbá a találmány szerinti optikai eszközöket tartalmazó, komplex, integrált optikai modulok, eljárások logikai műveletek végrehajtására, és az optikai elemek felvitt rétegének előállítására.
A találmány szerinti megoldás az integrált optika területén, logikai elemként vagy optikai kapcsolóként alkalmazható előnyösen.
Általánosan elfogadott feltételezés, hogy az adatfeldolgozás és a szenzortechnológia szakterületén szemben a jelenlegi, elektronikus működési elvű rendszerekkel - az optikai rendszerek alkotják a következő generációt. Ezek, remélhetőleg, gyakorlatilag minden szempontból nagymértékben javított jellemzőkkel bírnak majd. Az alap tudományos ismeretek és a szükséges szakterületeken a megkívánt technológia fejlődése forradalmian új eszközök megjelenését vetíti előre, melyek lehetnek egyrészt közvetlenül alkalmazhatók, másrészt felhasználhatók lehetnek összetettebb rendszerek építőelemeiként is.
Jelenleg azonban a tisztán optikai adatfeldolgozó eszközök fejlődése gyerekcipőben jár; következésképpen, a nagyon komplikált rendszerek kiterjesztése nem a közvetlen jövő feladata. A technika állása jelenleg az alapvető elgondolások működőképességének vizsgálatát, valamint a különböző lehetséges megközelítések legfontosabb típusainak felismerését kívánja meg.
Az integrált elektronika kezdetei óta a fejlődést Moore törvényével jellemzik: az integrált elektronikai áramkörökben a tranzisztorok száma egységnyi felületen mintegy 1,5 évenként megduplázódik. Noha ez a „törvény” igen hosszú ideig, kb. 30 évig, bizonyítottan érvényes maradt, általános vélemény, hogy a fejlődés elért egy határt. Az optikai adatfeldolgozással kombinált molekuláris elektronika az egyik legígéretesebb szóba jöhető alternatív technológiának tekinthető.
Várható, hogy a kulcsfontosságú megoldások az optika egy új területén, az integrált optikában bukkannak fel. Feltehetően a logikai áramkörök egy új típusa hozható létre integrált optikai eszközökből („integrated optical devices”, IOD), amelyek egy kis szubsztráton integrálva különböző optikai modulokat tartalmaznak. Az integrált optikai eszközök alapvető egysége az optikai hullámvezető. Prizmával vagy ráccsal a fény egy nagy törésmutatójú, a hullámvezetők részét képező vékony hullámhordozó rétegbe juttatható be (becsatolás), amelynek teljesen visszatükröző falai egy, a kvantummechanikai „részecske a dobozban” jelenséggel analóg jelenséget eredményeznek. A falak (azonban) véges „magasságúak” és „vastagságúak”, így az elektromágneses tér egy állóhullámot alkot a (kvantummechanikai értelemben vett) dobozban, és a falakon túl fokozatosan eltűnik exponenciális függvény szerint. A fény falakon túlnyúló, úgynevezett evaneszcens részének aránya annál nagyobb, minél vékonyabb a hullámhordozó közeg. Csupán bizonyos diszkrét (transzverzális elektromos: TE, illetve transzverzális mágneses: TM) módusok létezhetnek a dobozon belül, amelyek a Maxwell-egyenletekkel írhatók le.
Amennyiben a hullámhordozót egy rá felvitt közeggel („ad-medium”), vagy, előnyösen vékony, filmszerű felvitt réteggel („ad-layer) vonjuk be, amely nemlineáris optikai anyagot („non-linear optical matériái, NLO) tartalmaz, és amely - alkalmazott feszültség vagy egy másik fénysugár hatására - képes megváltoztatni egy vagy több optikai tulajdonságát és így, a hullámhordozó közegben terjedő fény evaneszcens részével kölcsönhatva manipulálni a fényt, az így kapott eszközt felhasználhatjuk az integrált optikában.
Intenzív kutatás folyik annak érdekében, hogy megtalálják a legalkalmasabb NLO-anyagokat, amelyek megfelelhetnek az alkalmazások által megkívánt követelményeknek, különösen a nagy stabilitással párosuló különösen nagy érzékenységnek [Service, R. F. (1995), Science 268:1570],
Mivel az integrált optika elmélete és mérési módszerei fejlettek [K. Lizuka: Engineering Optics (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1987)], a gyakorlati alkalmazás útjában álló fő akadályok (korlátok) technikai természetűek, különösen a megfelelő NLO-anyagok felismerése a különböző alkalmazások céljaira.
Az integrált optika területén a leggyakrabban használt NLO-anyagok a folyadékkristályok. Mindazonáltal, ezeknek általában elekrooptikai hatását használják ki, vagyis a fényvezérlés fotoelektromos átalakítókon (például fotodiódákon) keresztül, áttételesen történik (K. Lizuka: Engineering Optics, 1987). Mindeddig a technika állása nem tesz javaslatot teljesen fénnyel vezérelhető, integrált optikai eszköz megvalósítására, amely fotokróm anyagként fehérjét tartalmaz. Különösen, a technika állása nem nyújt útmutatást ilyen fotokróm fehérjék alkalmazására integrált optikai eszközök felvitt rétegében. Ez a réteg az, amellyel optikai eszközökben a fénynek a hullámvezetőben történő terjedése a felvitt réteg törésmutatójának fénnyel vezérelt változásával befolyásolható. A szakterületen nyilvánvaló az igény ilyen eszközökre.
Némileg hasonló, de nem integrált optikai elven működő kapcsolót tárnak fel Kobayashi Y. és Matsuda Y. az EP 0,433,901 közzétételi iratban, amelyben makromolekuláris polimerrel kombinált fulgid (dialkilidénszukcinsavanhidrid származéka) - főként a telekommunikáció területén alkalmazott (és az integrált optikai hullámvezetők hullámhordozó közegénél lényegesen vastagabb) optikai szálakban való felhasználásra szolgáló optikai kapcsolóban való alkalmazását ismertetik. Eszközükben azonban, bár az optikai szálat burkoló közeg törésmutatójának megváltozása alapján működik, a fényterjedés befolyásolása, és így a kapcsolás is, csupán akkor következik be, ha az optikai szálat burkoló teljes közeg törésmutatója közel ugyanaz, mint a fénycsatoló régióé. Az EP 0,532,014 európai közzétételi iratban [Hosoya, T. (1993)] a szerzők a kapcsolók egy javított változatát tárják fel, amelyben a fotoszenzitív anyagot két hullámvezető között helyezték el. A fotoszenzitív anyagot hordozó közeg törésmutatójának pontos beállítása azonban ebben az esetben is alapvető fontosságú.
HU 225 834 Β1
Az EP0254509 A1 sz. európai közzétételi iratban a szerzők olyan optikai szűrőkre és modulátorokra tesznek javaslatot (a modulálás szót a találmány szerintitől lényegesen különböző értelemben használva), amelyekhez csupán félvezetőket vagy dotált (adalékolt, „doped”) kadmium-szulfid-szelenid üvegeket alkalmaznak. A dokumentumban nem található utalás fénnyel vezérelhető kapcsolás megvalósítására, és említés sem történik két vagy több molekuláris állapottal bíró fotokróm fehérjék alkalmazásáról.
Az elmúlt 10 év során Európában, Japánban és az USA-ban számos laboratórium dolgozott párhuzamos jeltovábbító eszközök („parallel-processing devices), háromdimenziós adattároló hardver és neurális hálózatok kifejlesztésén, amelyek fotoszenzitív fehérjék, különösen bakteriorodopszin (bR) alkalmazásán alapulnak [Parthenopoulos, D. A. és Rentzepis, P. M. (1989), Science 245:843-845, Oesterhelt, D., Brauchle, C. és Hampp, N. (1991), Quarterly Reviews of Biophysics 24:425-478, Birge, R. R. (1992), Computer 25:56-67, Birge, R. R. (1994), American Scientist 82:348-355]. A javasolt alkalmazások eddig az optikai adattárolásra [Lewis A. és munkatársai, (1995), US 5,470,690], a szenzortechnológiára [Sakai T. és munkatársai, (1989) US 4,804,834] és a holográfiára [Trantolo, D. (2000), WO 00/30084] koncentráltak.
A bR-t hasznosító optikai kapcsolókat is terveztek különböző fizikai elveken. Mindazonáltal ezek egyike sem alkalmazható az integrált optika területén, és nem is ez volt megalkotásuk célja. A bR protonpumpáló tulajdonságát felhasználó optikai kapcsolót ismertet a JP 2,310,538 számú japán közzétételi irat [Watanabe T. (1990)]. A DE 4241871 német szabadalmi irat egy „biochipet mutat be, amely egy bonyolult, fehérjéből, két antitestből, peptidből, egy enzimből és általa előállított fémrészecskéből álló szerkezetekből épül fel. Kétségesnek tartjuk, hogy a bonyolult szerkezetek kapcsolóként működhetnének-e. Kikineshy et al. [„Multichip Modules with Integrated Sensors W. K. Jones and G. Harsányi (eds), (1996) Kluwer Academic Publishers, the Netherlands, pages 181-184] különböző nem kristályos anyagokból készült filmek optikai tulajdonságait, ezen belül a bakteriorodopszint (továbbiakban: bR) tartalmazó filmek gerjeszthetőségét és a gerjesztett állapot stabilitását vizsgálták. Nincs szó arról, hogy ezen filmek felvihetők lennének hullámvezetőre, és a bR gerjesztésével megváltoztatható lenne a hullámvezetőben a fény terjedése. Sőt, egyetlen olyan mondatában, amely látszólag a találmány témájához tartozik, a cikk kifejezetten félrevezető. Állítása szerint „a bR-filmeknek hullámvezető tulajdonsága van, tehát alkalmazhatók integrált optikai elemek megalkotására...”. Ez természetesen - amellett, hogy sem bizonyítva, sem kifejtve nincs - a találmány szerintitől teljesen különböző ötlet, hiszen a találmány szerint nem hullámvezetőként, hanem arra felvitt közegként alkalmazunk bR-filmeket. Az US 5,757,525 számú szabadalmi iratban [Devulapalli V.G.L.N.R. és munkatársai (1998)] egy teljesen optikai eszközt tárnak fel, amelyben három, speciális geometriai elrendezésű, beeső fénynyaláb térben átfed egy bR-mintán. A minta besugárzása egy modulálófény segítségével a bR állapotának megváltozását okozza, és következésképpen a jel megváltozását is. Az integrált optika alapelemeinek számító hullámvezetőket azonban nem alkalmaznak a fenti megoldásokban. Az US 5,618,654 [Hiroyuki T. és Norio S. (1997)] szabadalmi iratban ismertetett megoldásban jól definiáltán részlegesen áteresztő tükröket alkalmaznak a fénynek a tükrök közé elhelyezett bR-rétegen való transzmissziójának szabályozására.
Tehát elmondhatjuk, hogy egészen mostanáig a technika állása nem tartalmaz utalást a fotoszenzitív fehérjék, például bakteriorodopszin, és az integrált optika kombinálására.
A találmány szerinti megoldás kidolgozásával célunk tehát a gyakorlatban is működőképes, teljesen fénnyel vezérelhető, integrált optikai eszköz megvalósítása volt, amely nemlineáris anyagként fehérjét tartalmaz.
A találmány szerinti megoldás azon a felismerésen alapul, hogy egyszerű és megbízható integrált optikai eszköz hozható létre, ha NLO-anyagként egy megfelelő fehérjét használunk, és alkalmazzuk a leírásban ismertetett elvet és elrendezést. Váratlanul azt tapasztaltuk, hogy ha egy fotokróm fehérje - előnyösen a rodopszincsalád tagja - vékony rétegét egy hullámvezető felületére visszük fel, a hullámvezetőben terjedő fény terjedése befolyásolható a fehérje molekuláris állapotának és ezáltal törésmutatójának megváltoztatásával. A fehérje molekuláris állapotát megfelelő hullámhosszúságú modulálófénysugárral változtathatjuk meg. Ha a fényt rács segítségével csatoljuk be a hullámvezetőbe, a szög, amely alatt hatásos csatolás lehetséges, nagymértékben függ a rács körül elhelyezkedő anyag törésmutatójától. így tehát, ha a fehérjeréteget közvetlenül a rács fölé helyezzük, a becsatolt fény intenzitása befolyásolható fényindukált molekuláris reakciókkal, egy adott becsatolási szög mellett. Továbbá a hullámvezetőben, annak hullámhordozó közegében haladó fénysugár ki is csatolható, a fényérzékeny fehérjét tartalmazó rétegben létrehozott ráccsal.
Az alábbiakban röviden ismertetjük a találmány szerinti megoldást.
A találmány egy megvalósítási módja szerint a találmány tárgya teljesen fénnyel vezérelhető integrált optikai eszköz, amely nemlineáris optikai tulajdonságú anyagként fehérjét tartalmaz.
Előnyösen, a találmány tárgya integrált optikai eszköz, amely tartalmaz hullámhordozót, csatolóelemet és a hullámhordozóval érintkező elrendezésben egy felvitt, előnyösen réteget képező közeget, amely fehérjeként fotokróm fehérjét, ezenkívül előnyösen átlátszó, inért, filmképző anyagot tartalmaz.
Előnyösebben, a találmány szerinti integrált optikai eszközben, a hullámhordozó vékony réteg kialakítású és alapon helyezkedik el, a fotokróm fehérje pedig bakteriorodopszin-családba tartozó fehérje, és az optikai eszköz csatolóelemként rácsot és/vagy prizmát tartalmaz. A rács lehet a hullámhordozó határfelületén kialakított rács és/vagy a felvitt közegben kialakított tran3
HU 225 834 Β1 ziens rács, és/vagy permanens, előnyösen holografikus exponálással kialakított rács.
A találmány tárgya továbbá a találmány szerinti integrált optikai eszköz alkalmazása optikailag vezérelt optikai kapcsolóként vagy integrált optikai logikai elemként.
A találmány tárgya továbbá komplex integrált optikai modul, amely logikai elemként a találmány szerinti optikai eszközt tartalmazza.
A találmány egy másik megvalósítási módja szerint a találmány tárgya eljárás elemi logikai művelet végrehajtására, a találmány szerinti optikai eszköz alkalmazásával, amelynek során fényt csatolunk a hullámhordozóba, és modulálófény, előnyösen moduláló lézerfény alkalmazásával a felvitt közeg törésmutatóját módosítjuk, és ezáltal befolyásoljuk a fény terjedését a hullámhordozóban.
Előnyösen a törésmutató módosítását a felvitt közeg fehérjetartalmának legalább két molekuláris állapota közötti átmenet kiváltásával valósítjuk meg.
Fényként előnyösen monokromatikus fényt, előnyösebben lézerfényt alkalmazunk.
Egy további megvalósítási mód szerint a hullámhordozóban terjedő fényt ki is csatoljuk.
A becsatoláshoz és/vagy a kicsatoláshoz csatolóelemként alkalmazhatunk a felvitt rétegben in situ kialakított tranziens rácsot, holografikus exponálással kialakított permanens rácsot és/vagy a hullámhordozóban kialakított rácsot.
A becsatoláshoz vagy a kicsatoláshoz, különösen, ha fontos, kis fényerőveszteség prizmát is alkalmazhatunk.
Egy igen előnyös megvalósítási mód szerint (i) a monokromatikus fényt rács alkalmazásával csatoljuk be a hullámhordozóba, és (ii) a felvitt közeg rácsot fedő részének törésmutatóját módosítjuk.
A találmány tárgyát képezi továbbá eljárás a találmány szerinti integrált optikai eszköz felvitt közegének előállítására, amelynek során (i) bR vizes szuszpenzióját állítjuk elő, (ii) a szuszpenziót átlátszó, inért, filmképző anyaggal, előnyösen zselatinnal keverjük össze, amelynek végső koncentrációja 0,5%, (iii) a kapott közeget, előnyösen vékony rétegként, hullámhordozóra visszük fel, és (vi) lamináris légáram alatt megszárítjuk.
Az alábbiakban megadjuk a leírásban használt néhány fontosabb kifejezés meghatározását.
A leírás szerinti értelemben az „optikai hullámvezető” kifejezés olyan eszközt jelent, amelyben a fény meghatározott (korlátozott, „confined) geometria szerint terjed többszörös teljes reflexió útján, és amely tartalmaz egy „hullámhordozó közeget”, valamint - kívánt esetben - a hullámhordozó közeg hordozójaként egy alapot („substrate”). A „hullámhordozó közeg” egy vékony réteg (előnyösen 100 nm vastagságú) vagy szál, amely elegendően nagy törésmutatójú anyagból készült ahhoz, hogy a közeg határfelületei teljes reflexiót biztosítsanak, a kvantummechanikai „részecske a dobozban” elvvel analóg módon. A „falak” véges magasságúak és vastagságúak, ezért a térerő fokozatosan, exponenciálisan csökken a falakon túl.
„Nemlineáris optikai tulajdonságú („non-linear optical”, NLO) anyag alatt olyan anyagot értünk, amely képes fénnyel való gerjesztés hatására vagy - általános értelemben - külső hatásra (elektromos tér, hőmérséklet, pH, reagensek stb.) megváltoztatni optikai tulajdonságát (például törésmutatóját, abszorpcióját stb.).
„Integrált optika alatt az optikának azt a területét értjük, amelynek célja különböző optomodulok integrálása egy kisméretű alapon. A réteges („slab) geometria egyike a legalapvetőbb elrendezéseknek az integrált optikai technológiában, aminek következtében az optomodulok általában vékony, filmszerű eszközöket tartalmaznak. Egy ilyen integrált optikai eszköz lehet például egy optikai kapcsoló, logikai kapu, optikai modulátor stb. vagy komplexebb eszköz, például egy logikai áramkör, amely a fenti, alapvető eszközöket használja építőkövekként. Az optikai eszközök lehetnek egészen optikai (teljesen fénnyel vezérelhető) vagy elektrooptikai eszközök.
„Felvitt közeg - amely előnyösen egy vékony felvitt réteg - alatt egy NLO-anyagot tartalmazó közeget értünk, amely közvetlenül érintkezik a hullámhordozó közeggel.
„Fény” alatt az infravörös, látható vagy ultraibolyatartományba eső elektromágneses sugárzást értünk. A találmány egy előnyös megvalósítási módja szerint (elsősorban információprocesszálásra) monokromatikus fényt, előnyösebben lézerfényt alkalmazunk.
„Moduláló sugárzás vagy „moduláló fény alatt NLO-anyag optikai tulajdonságát megváltoztatni képes sugárzást vagy fényt értünk. A találmány szerinti megoldásban, modulálófény alkalmazása esetén a fénysugár hullámhosszát a fotokróm fehérje molekuláris állapotai közötti energiaszint-különbségek határozzák meg. Bakteriorodopszin (bR) alkalmazása esetén a modulálófény előnyösen a bR-molekulát az alapállapotból (bR) az M állapotba gerjeszteni képes, a látható tartományba eső lézerfény.
„Fotokróm fehérje” alatt olyan fehérjét értünk, amelynek megfelelő hullámhosszúságú fény hatására abszorpciós spektrumában vagy törésmutatójában, vagy mindkettőben változás következik be.
Az alábbiakban röviden ismertetjük a leíráshoz tartozó ábrákat.
Az 1. ábrán egy háromrétegű hullámvezető vázlatos elrendezését mutatjuk be.
A 2. ábrán az alábbiakban ismertetett kísérleti elrendezés vázlatát mutatjuk be.
A 3. ábrán a hullámvezető szélein mért fényintenzitást tüntettük föl a beesési szög függvényében (a) bakteriorodopszin felvitt rétege távollétében és (b) jelenlétében.
A 4. ábrán a forgóasztal különböző, kiválasztott helyzeteiben a vezetett fény villanófényes gerjesztést követő intenzitásvál4
HU 225 834 Β1 tozásait mutatjuk be az idő függvényében.
Az 5. ábrán az alapvonal-intenzitás (l0) szögfüggését és a két exponenciális komponens amplitúdóinak (ΔΙ4 és Ál2) szögfüggését tüntettük fel a 4. ábrán bemutatott görbékhez illesztve.
A 6. ábrán a bR-»M átmenet során bekövetkező törésmutató-változást szemléltettük.
A 7. ábrán holografikus rács létrehozására szolgáló elrendezés vázlatát ábrázoljuk.
Az alábbiakban a találmányt részletekbe menően is ismertetjük.
A találmány célja általában fotokróm fehérjékkel (például bakteriorodopszin) kombinált optikai hullámvezetőkön alapuló integrált optikai eszközök megvalósítása. Az elektrooptikai eszközök működése az optikai hullámvezetőben terjedő fény terjedésének befolyásolásán alapul, ami a fotokróm fehérje optikai tulajdonságainak (például abszorpciós tulajdonságának vagy törésmutatójának) külső perturbáló hatásra (például fénysugár) történő megváltoztatásával érhető el.
A találmány szerinti megoldásban alkalmazott technológia azon alapul, hogy a fotokróm fehérje (például bakteriorodopszin) nemlineáris optikai (NLO) tulajdonságainak következtében az optikai hullámvezetőkben a fényvezető képesség modulálható. Mivel az átmenetek a bakteriorodopszin különböző optikai állapotai között számos úton kiválthatók, a fény terjedésének megváltoztatása a hullámvezetőkben különböző külső faktorok hatására érhető el, következésképpen jelentős mértékben különböző tulajdonságú optikai kapcsolóeszközök állíthatók elő.
A találmány szerinti eszközök működése azon alapul, hogy a fény terjedését a hullámvezetőben egy fotokróm fehérje, előnyösen bakteriorodopszin optikai átmenetei útján befolyásoljuk. Az alábbiakban feltárjuk a találmány néhány konkrét megvalósítási módját, majd azokat egyes gyakorlati példákon keresztül is szemléltetjük a leírásban megadott példákban. Mindazonáltal hangsúlyozzuk, hogy szakember számára nyilvánvaló, hogy a bejelentésben található kitanítás ismeretében a találmány számos egyéb megvalósítási módja is megvalósítható a találmányi gondolat alapján és a találmány oltalmi körén belül.
Rácsos becsatolás a bakteriorodopszin törésmutatójának modulálásával
Az 1. ábrán látható kiviteli alakban a fényt a hullámvezetőben kialakított diffrakciós ráccsal csatoljuk be. Egy erre szolgáló integrált optikai eszközt szemléltetünk példaképpen az 1. ábrán. A 3 felvitt közeget (például bakteriorodopszint tartalmazó réteget) közvetlenül a hullámvezetőben, a 2 hullámhordozó határfelületén kialakított 4 rács fölött helyezzük el. A hullámvezető 1 alapot és 2 hullámhordozót tartalmaz.
A hatásos becsatolás a becsatolási szög nagyon érzékeny függvénye. Az a szög, amely alatt az 5 fénysugár becsatolása megvalósul, nagymértékben függ a 4 rácsot körülvevő anyagok törésmutatójától. Következésképpen a 3 felvitt közeg, amely előnyösen réteges kialakítású, törésmutatójának változása nagyon érzékenyen követhető a becsatolási szög mérésével. Másfelől, egy adott becsatolási szög mellett a becsatolt fény intenzitását befolyásolják a törésmutatót megváltoztató reakciók.
A hullámvezetőbeli 4 rácsra megfelelő szögben 5 fénysugarat bocsátunk, amely a fent vázolt feltételek teljesülése esetén becsatolódik a 2 hullámhordozóba és 6 vezetett fénysugárként terjed tovább. A 3 felvitt közeg törésmutatójának megváltoztatásával, amit a jelen példában a bakteriorodopszin gerjesztésével valósítunk meg, a becsatolás feltételei megváltoznak, és a becsatolás megakadályozható, így a 6 vezetett fénysugár terjedése megszakad. Másik lehetőségként a becsatolandó 5 fénysugarat a gerjesztett állapotú bakteriorodopszin törésmutatója által meghatározott szög alatt bocsátjuk a becsatoló- 4 rácsra, és a bakteriorodopszin gerjesztésével engedjük meg a becsatolódást.
Fény becsatolása a hullámvezetőbe és kicsatolása a hullámvezetőből a felvitt rétegben holografikus gerjesztéssel létrehozott tranziens ráccsal Ebben az esetben a csatolórácsot a felvitt rétegben megfelelő fénygerjesztéssel alakítjuk ki. Két koherens, adott esetben azonos sugárforrásból származó lézerfény interferenciájával megvalósított fénygerjesztés egy holografikus rácsot hoz létre a felvitt rétegben. Ez a tranziens rács csatolórácsként működhet az alatt az idő alatt, amíg a bakteriorodopszinban végbemennek a fotóreakciók. A tranziens rács mind fázisrácsként (ha a becsatolt fény hullámhosszán a fotóreakció során nem jelentkezik abszorpcióváltozás), mind abszorpciós rácsként (amennyiben a fotóreakció során a becsatolt fény hullámhosszán az abszorpció megváltozik) működhet.
Ez az elrendezés egyaránt alkalmas a fény becsatolására és kicsatolására. Utóbbi esetben, azaz amennyiben a tranziens rácsot kicsatolásra használjuk, a fény becsatolható prizmával is, és az így becsatolt fény eltávolítható a hullámvezetőből a tranziens ráccsal szabályozott módon. Ebben az esetben - a prizma alkalmazásának köszönhetően - nagy fényintenzitások is kezelhetők. Ezzel szemben, amikor a rácsot a fény becsatolására használjuk, csupán a fénymennyiség kis hányada jut be a hullámvezetőbe. Ez a szempont fontos lehet, amikor kiválasztjuk a kísérleti elrendezést a kapcsolók megvalósításához.
Holografikus rács például a 7. ábrán bemutatott kísérleti elrendezéssel valósítható meg, a következőképpen. A 13 He-Cd lézersugárforrásból származó lézerfény a 14 tükörre, majd a 15 változtatható sugárosztóra esik, amely a 14’ további tükrökre juttatja a fényt. A két fénysugár ezután a 16 nyalábtág ítókba jut, majd a 17 bR-filmben újra találkozva interferenciaképet hoz létre. A 7 lézersugárforrásból származó, a kialakult rácson szórt lézerfény a 10 fotodiódával detektálható.
A fény becsatolása a hullámvezetőbe és kicsatolása a hullámvezetőből a felvitt rétegben holografikus exponálással (fehérítéssel „bleaching”) létrehozott ráccsal
Egyes vegyületek jelenlétében (például hidroxilamin) a bakteriorodopszin, éppen úgy, mint a rodop5
HU 225 834 Β1 szincsalád más fehérjéi, exponálódik (kifehéredik) fény hatására. Ezt a jelenséget felhasználhatjuk permanens rácsoknak a bakteriorodopszin-rétegbe történő „beégetésére”. Ezt a fent ismertetett holografikus gerjesztés útján végezhetjük. Amikor a bakteriorodopszin fotóciklusát beindítjuk, ez a rács - az abszorpciós spektrum változásainak megfelelően - különböző hullámhosszakon megváltoztatja a hatásfokát.
Optikailag vezérelt optikai kapcsoló
A fényterjedés hullámvezetőben történő, bakteriorodopszin általi befolyásolásának minden, a fentiekben vázolt módja alkalmazható optikailag vezérelt fénykapcsoló építésére. Következésképpen, számos, erre a célra alkalmas eljárás valósítható meg. Jelenlegi ismereteink szerint igen előnyös megoldási módok azok, amelyekben a fényt prizmával csatoljuk be a hullámvezetőbe, és a kicsatolást a felvitt rétegben létrehozott ráccsal érjük el. Ezen, kapcsolási alkalmazásokra szolgáló megoldási mód előnye a kezelt fény nagy intenzitása. Egy előnyös kapcsoló működése során ugyanis olyan fényintenzitásokat enged meg kilépőfényként, amelyek elégségesek további kapcsolók működtetéséhez is. Ez különösen hasznos komplex eszközök, például komplex logikai áramkörök megalkotásakor.
Optikai kapcsolók vezérlése
A találmány egy előnyös megvalósítási módja szerint különböző időbeli jellemzőkkel bíró rendszerek építhetők különböző fotokróm fehérjék vagy proteinmutánsok alkalmazásával, amelyek jellemző reakciói különböző kinetikát követnek, vagy amelyek eltérő színűek stb. A bR számos mutáns variánsa ismert a technika állása szerint. Ezen fehérjeváltozatok alkalmazásával a tranziensek időzítése - amely igen fontos lehet az optikai kapcsolókban történő alkalmazásnál - beállítható.
Az alábbi példák mindegyikében a változások időzítése tetszőlegesen variálható: lehet dinamikus, amelynek jellemző idői pikoszekundumtól tetszőleges ideig terjednek, statikus vagy kétállapotú (ekkor két stabil állapot közötti átkapcsolás következik be különböző színű fénysugarakkal történő megvilágítás hatására). Mindezen működési módokban a működés igazolható nagy időbeli felbontású, részletes kinetikai kísérletekkel.
Amellett, hogy különböző fehérjéket vagy fehérjeváltozatokat alkalmazhatunk, egy további lehetőség a fotokróm fehérje, például a bR reakcióciklusa különböző állapotainak kihasználása.
Mindezen módszerekkel előállíthatunk például integrált optikai kapcsolókat. Ez hatékonyan kihasználható integrált optikai, logikai áramkörökben.
Ezekből a mutáns fehérjékből vagy fehérjeváltozatokból egymást követő, összefüggő kapcsolók, valamint kapuk vagy más, különböző logikai tulajdonságú optikai elemek alakíthatók ki, amelyek előnyösen alkalmazhatók egyszerű logikai áramkörökben. Az integrált optika területén jártas szakember számos, különböző logikai elemet ismer.
Komplex logikai elektrooptikai eszközök
Ha egyszer hatásos optikai kapcsolókat fejlesztettünk ki, azokat építőelemekként tartalmazó komplex eszközöket (modulokat) is létrehozhatunk.
Emlékeztetünk arra, hogy a fentiekben olyan eszközöket ismertettünk, amelyek egy optikai számítástechnikai eszköz elemeit alkothatják. Ezekből elvileg egy számítógép bármely funkciójának megvalósításához szükséges logikai áramkört létrehozhatunk. A végtermék egy számítógép lehet, amely teljes mértékben fénnyel működik.
Hullámvezetők kombinálása száloptikával
A találmány szerinti eszközök csatlakoztathatók egymáshoz, valamint perifériákhoz száloptikával is. A fény csatolása azonban a planáris hullámvezető és az optikai szálak között jelentős probléma. Több alaplehetőség közül választhatunk, elsődlegesen a rácsos csatolás és a prizmás csatolás közül. Hatásos és megbízható kapcsolatot kell elérnünk ahhoz, hogy a készülékeknek gyakorlati értéke legyen. Ezek az alaplehetőségek értékelhetők és az optimális hullámvezető geometria, valamint a csatolóegység [prizma, rács vagy közvetlen csatolás útján (törésmutató-illesztéssel, valamint közönséges törésmutatógradiens-lencsékkel a lemez és a szál között)] meghatározhatók.
Ezen módszerek alkalmazásával a találmány szerinti eszközök alkalmazhatók a száloptika alkalmazási területein, például a telekommunikációban stb.
Az alábbiakban a találmány példaképpen ismertetett megvalósítási módjai létrehozásánál és működtetésénél alkalmazható módszereket ismertetünk elméleti és gyakorlati szempontból.
Példák
A találmány szerinti megoldásban alkalmazható fotokróm fehérjék releváns tulajdonságai Szakember számára nyilvánvaló, hogy bármely
NLO tulajdonságú fehérje - előnyösen törésmutatójukat megfelelő hullámhosszúságú fény hatására megváltoztató fehérjék - alkalmazhatók a találmány szerinti megoldásban. Ilyen fehérjék például a fotoszintézisben és a fényérzékelésben szerepet játszó egyes fehérjék. Egy előnyös megvalósítási mód szerint rodopszincsaládba tartozó fehérjéket alkalmazunk, például vizuális rodopszinokat, mint amilyenek például a kromoforként retinal-1-et vagy retinal-2-t tartalmazó rodopszinok vagy a bR típusú rodopszinok, például a halorodopszin, foborodopszin, a klamirodopszin („chlamyrhodopsin”); vagy szenzort rodopszinok. Egy különösen előnyös megvalósítási mód szerint bakteriorodopszint alkalmazunk.
A bakteriorodopszin egy fehérje-pigment komplex, amely a Halobacterium salinarium sejtmembránjából származik. Ez a fehérje valójában egy biológiai fényenergia-átalakító: egy foton abszorpciója hatására protont pumpál a sejtmembránon keresztül, tehát a fény energiáját elektrokémiai energiává alakítja át, amely a membrán két oldalán létrehozott protonkoncentrációkülönbségben nyilvánul meg. Ez tehát a bR biológiai funkciója.
A bakteriorodopszin gyakorlatilag tetszőleges mennyiségben előállítható, viszonylag könnyen és olcsón. A baktériumok könnyen szaporíthatok, és a pigment könnyen elkülöníthető. Az izolált bakteriorodop6
HU 225 834 Β1 szín (eltérően a legtöbb biológiai mintától) rendkívül stabil: könnyen előállíthatok belőle időben nem korlátozott aktivitású oldatok vagy száraz filmek.
Módosított fehérjék előállítására szolgáló génsebészeti módszerek jól ismertek. Jelenleg bakteriorodopszinból előállíthatok módosított kinetikai paraméterekkel jellemezhető változatok is.
A bakteriorodopszin funkciója fotokémiai reakciók sorozatán, azaz a fotócikluson alapul [Dér, A. és Ormos, P. (1995), Biophysical Chemistry 86:159-163], A fotociklus során a fénnyel történő gerjesztés hatására a bakteriorodopszin-molekula megváltoztatja optikai abszorpcióját, törésmutatóját és töltéseloszlását [Tkachenko, N. V., Savransky, V. V. and Sharonov, A. Y. (1989), European Biophysics Journal 17:131-136]; ezek a tulajdonságok felhasználhatók akár külön-külön, akár egyszerre elektrooptikai eszközökben. Az orientált bR-molekulákat tartalmazó gélek és vékony filmek [Dér, A., Hargittai, P. and Simon, J. (1985), Journal of Biochemical and Biophysical Methods 10:295-300, Váró, G. and Keszthelyi, L. (1983), Biophys. J. 43:47-51] különösen stabilak, fotoelektronikus aktivitásukat több évig megőrzik ugyanazon a szinten. Másfelől, a bR fotociklusa számos különböző módon szabályozható. így például az intermedierek populációs állapotai narancsszínű és kék fény kombinációjával történő megvilágítással in situ manipulálhatók [Ormos, P., Dancsházy, Z. and Keszthelyi, L. (1980), Biophys. J. 31:207-213], míg a génsebészeti módszerek lehetővé teszik speciális, helyspecifikus mutációval átalakított, drasztikusan megváltoztatott optikai tulajdonságú és fotocikluskinetikájú bR-mutánsok előállítását [áttekintő munkaként lásd Lányi, J. K. (1993), BBA 1183:241-261],
Vékony filmek natív és mutáns bR-ből
Az alábbi alkalmazásokban a hatásos működés kulcsa a jó optikai minőségű film. Natív és mutáns bR-ekből vékony filmek készíthetők egy alaprétegen, például egy üveghordozón, az alábbi eljárások közül egy vagy több alkalmazásával: gélkészítés [(Dér, A., Hargittai, P. and Simon, J. (1985), Journal of Biochemical and Biophysical Methods 10:295-300], vákuumszárítás [Váró, G. and Keszthelyi, L. (1983), Biophys. J. 43:47-51], Langmuir-Blodgett-technika (LB) [Niemi, H., Ikonén, M., Levlin, J. M., Lemmetyinen H. Microscope, Langmuir (1993), 9:2436-2447], Tisztán alltrans-, illetve 13-c/s-retinalból vagy azt tartalmazó bR-ből, készült LB-filmek szintén figyelembe veendők alapvetően két célra történő gyakorlati alkalmazásban. Egyfelől a retinái mint karotinoid, egy, elektromos feszültségre érzékeny festék; optikai sűrűsége és következésképpen törésmutatója erősen függenek a helyi elektromos térerőtől. Másfelől 1O2 szabad gyökkel való specifikus reakció eredményeképpen, c/s-frans-izomerizációs változáson megy keresztül [Krinsky, N. I., in Carotenoids (ed. Ottó Isler, Hoffmann-La Roche & Co. Ltd., Basel, Switzerland; Birkhauser Verlag Basel) pp. 669-716 (1971)], ami szintén megváltoztatja optikai és elektromos tulajdonságait. Ezen módszerek bármelyike elvileg alkalmas lehet megfelelő filmek előállítására.
Mi az alább ismertetett példában egy vizes bR-szuszpenziót állítottunk elő, és kevertünk össze zselatinnal, amelynek végső koncentrációja 0,5% volt. Lamináris légáram alatt optikai minőségű filmet készítettünk.
Optikai hullámvezetők
Az integrált optikai eszközök legnyilvánvalóbban szükséges eleme az optikai hullámvezető. Például egy alap (például üveglemez) felületén egy nagyon nagy (kb. 2) törésmutatójú anyag vékony, előnyösen legfeljebb mintegy 100 nm vastagságú rétege (hullámhordozó) optikai hullámvezetőként működik: a fény a rétegben teljes visszaverődéssel terjed. A hullámhordozó réteg vastagsága előnyösen lényegesen kisebb, mint a fény hullámhossza, így a közlekedőfénynek a rétegen kívüli, evaneszcens része hangsúlyosan jelentkezik (a fényhullám nagy része túlnyúlik a rétegen).
A fényt egy, a hullámhordozó rétegben, annak előnyösen az alap felőli - határfelületén létrehozott diffrakciós ráccsal csatoljuk be a hullámvezetőbe. A hatásos becsatolás geometriai feltételei nagyon szigorúak. Amint az szakember számára jól ismert, csupán a rácshoz képest nagyon jól definiált szögben érkező fény csatolódik be a hullámvezetőbe. Ennek elméleti háttere jól ismert. A szög, amelyben a csatolás megvalósul, nagymértékben függ a rácsot körülvevő anyag törésmutatójától. A törésmutató megváltoztatásával a csatolás (be- és kicsatolás) tetszőlegesen befolyásolható, így optikai kapcsolás valósítható meg.
Hullámvezető előállítása
A példákban általunk alkalmazott hullámvezető egy planáris, üvegből készült alaplemezt és nagy törésmutatójú anyagból - jellegzetesen SiO2-TiO2 szilárd oldatából - készült hullámhordozó réteget tartalmazott. A réteg vastagsága kicsi (100 nm) volt, sokkal kisebb, mint a vezetett fény hullámhossza. A hullámvezető igen fontos jellemzői a hullámhordozó réteg vastagsága (ez befolyásolja a terjedő fény evaneszcens jellegét), továbbá a réteg anyagának állaga (ez a réteg előállítási eljárásától - gőzölés, szol-gél módszer - függ). Az alkalmazott hullámvezető paraméterei optimálisak voltak a stabil fény vezetéshez, és hatásosan lehetett azokat befolyásolni bakteriorodopszinnal, amint azt a kísérletek során kimutattuk.
A konkrét kísérletekhez, az 1. ábra szerinti kiviteli alak megvalósításához tehát rácsos csatolású optikai hullámvezetőket [Tiefenthaler, K. and Lukosz, W. (1989), J. Opt. Soc. Am. B 6:209-219] szereztünk be az Artificial Sensing Instruments (ASI, Zürich, Svájc) cégtől. Ezekben 2 hullámhordozó közegként egy vékony Si(Ti)O2-film (törésmutató értéke=1,77) szolgált, amelyet 1 alapként egy Corning C7059 üvegalapra (törésmutató értéke=1.53) vittek fel, felszórással. Másik lehetőségként a KFKI ATKI (Budapest, Magyarország) céggel állíttattuk ezeket elő. 3 felvitt közegként egy bR-filmet helyeztünk a hullámvezető felszínére (1. ábra). A vad típusú vagy pontmutáns bR vizes szuszpenzióit (OD=40, 570 nm-en) Halobacterium salinar/'um-sejtekből, ozmotikus sokk alkalmazásával, standardmódszerekkel állítottuk elő [Oesterhelt, D. and Stoeckenius, W. (1971), Natúré 233:149-152] és zselatinnal (Sigma) kevertük össze, amelynek végső kon7
HU 225 834 Β1 centrációja 0,5% volt. Lamináris légáram alatt megszárítva optikai minőségű filmet hoztunk létre, amely az így nyert optikai kapcsoló lényegi részét képezi.
A bR törésmutatójának mérése hullámvezetőmódszerrel, optikai kapcsolás megvalósítása A törésmutató mérését és az optikai kapcsolás megvalósítását az 1. és a 2. ábrára való hivatkozással mutatjuk be. A kísérleti elrendezés (2. ábra) a következőket tartalmazta: egy 10 mW-os He-Ne-lézert kibocsátó 7 lézersugárforrást (Melles Griot), 12 számítógéppel vezérelhető 8 forgatható asztalt (Ealing Electro-Optics) a beesési szög változtatásához, valamint egy pár 10 fotodiódát, amelyekkel az 1. ábra szerinti kiviteli alaknak megfelelő, 3 felvitt közegként bR-réteget hordozó 9 hullámvezető szélein a vezetett fény intenzitását mértük. A kapott jelet 11 erősítő segítségével analizáltuk. A vezetett fény intenzitását a beesési szög függvényében a 3a. és 3b. ábrán szemléltetjük a 12 számítógép által készített grafikon formájában. Az Ι,Γ-nál, valamint a 9,8°nál ábrázolt csúcsok a 3a. ábrán a csupasz hullámvezető transzverzális elektromos (TE) és transzverzális mágneses (TM) módusainak felelnek meg [Ramsden, J. J. (1994), Quarterly Reviews of Biophysics 27:41-105],
Ezen csúcsok 3b. ábrán látható, nagymértékű eltolódása (6,8°, illetve 12,5° értékre), az adott törésmutatójú bR-film hatásának köszönhető. Az eredmények kiértékelésének alapját a rácsegyenlet [Tiefenthaler, K. and Lukosz, W. (1989), J. Opt. Soc. Am. B 6:209-219], megoldása adta, tekintetbe véve a becsatolási körülményeket és a modusegyenletet háromrétegű planáris hullámvezetőre. Eredményként n=1,52-t kaptunk a száraz bakteriorodopszin film törésmutatójára.
A 9 hullámvezetőt borító bR-film törésmutatójában bekövetkező fényindukált változások méréséhez a 9 hullámvezetőt a 8 forgatható asztal segítségével a becsatolt fény rezonanciamaximumára hangoltuk. A jó időfelbontás érdekében rövid (kb. 20 ns hosszúságú), egy 590 nm-es (tehát a bR fotociklusát nem gerjesztő), a 2. ábrán fel nem tüntetett excimerlézer által vezérelt 7’ festéklézerből (Rhodamine 6G) származó impulzusokat alkalmaztunk a bR fotociklusának beindításához, 5' modulálófényként. [A rövid gerjesztőimpulzusokat igényelő kísérletekhez előnyösen alkalmazható például egy hangolható impulzuslézer is (például villanólámpapumpa Nd:YAG lézer optikaiparaméter-oszcillátorral).] A 6 vezetett fénysugár intenzitásváltozásait (valamint a fotociklus során az ezekkel egyidejűleg bekövetkező abszorpcióváltozásokat) fotoelektronsokszorozóval detektáltuk és digitális tárolóoszcilloszkóppal (LeCroy 9310L) rögzítettük. Az 50 ps időfelbontással mért jeleket két exponenciális függvénnyel illesztettük (4. ábra). Az 5. ábra az exponenciális komponensek amplitúdóinak szögfüggését mutatja be a rezonanciagörbével összehasonlítva. Az összetevők szögeloszlása úgy értelmezhető, mint a törésmutató- és az abszorpcióváltozások együttes eredménye. Annak érdekében, hogy ezen két hatásnak megfelelően felbontsuk a jeleket, az amplitúdók szögfüggését két Gauss-görbével illesztettük. Szögeltolódásukból (ΔΦ·ι és ΔΦ2 a szögeltolódások fokokban megadva) kiszámoltuk a törésmutató változásait a fotociklus során. Ezen törésmutató-változás amplitúdója (5*10-3) és előjele összhangban van a Kramers-Kronig-összefüggések segítségével a fotociklus M—>bR átmenetével járó abszorpciós változásokból számolt törésmutató-eltolódással.
A 6. ábrán a bR->M átmenet során bekövetkező törésmutató-változást szemléltettük. A spektrum a 350 nm-től 680 nm-ig terjedő hullámhossztartományt fogja át. A folytonos és a szaggatott vonalak az alapállapot (bR) és az M intermedier állapot spektrumát, illetve törésmutatóját jelölik rendre, míg a pontozott vonal a törésmutató változásának alakját mutatja a Kramers-Kronig-összefüggésből számítva. (Az amplitúdókat tetszőleges egységekben adtuk meg.)
A törésmutató módosítását a felvitt közeg fehérjetartalmának a két molekuláris állapota közötti átmenet kiváltásával valósítottuk meg. A mérésekkel tehát kétséget kizáróan bizonyítottuk, hogy egy adott becsatolási szög mellett a becsatolt fény intenzitását befolyásolják a törésmutatót megváltoztató reakciók, és így a bR fényindukált törésmutató-változásain alapuló optikai kapcsolás megvalósítható.
bR-alapú dinamikus holografikus rács létrehozása
Egy további kísérlet felhasználásával kimutattuk, hogy egy NLO-anyagot tartalmazó 3 felvitt közeg (például egy bR-film) dinamikus holografikus rács létrehozására alkalmas anyagként szolgálhat, és mint ilyen, optikai hullámvezetőknél alkalmazható csatolóeszközként (7. ábra). Egy 13 He-Cd lézersugárforrás kék színű fényének alkalmazásával egy 2400 vonalpár/mm-es rács keletkezését indukáltuk az üveglapon elhelyezett 17 bR-filmben, amelyet nagy optikai tisztaságú, különösen alacsony olvadáspontú agarózzal fixáltunk. A 7 lézersugárforrás (vörös színű hélium-neon lézer) által kibocsátott sugár a létrehozott rácsra esett. Az elsőrendű diffrakciós sugarat detektáltuk. A rács kialakításához és megszüntetéséhez szükséges idő megfelelt a száraz bR-film fotociklusos sebességmeghatározó lépéseinek. Az utóbbi kísérlet alapján a bR-film alkalmas optikailag kapcsolható, dinamikus becsatoló(vagy kicsatoló-) rács létrehozására.
A kicsatolt fénysugár a fentiekben leírtak szerint detektálható.
A találmány szerinti, teljesen fénnyel vezérelhető integrált optikai kapcsoló alkalmazható az integrált optika területén megbízható kapcsolásra, valamint integrált optikai modulok részeként.

Claims (13)

  1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK
    1. Teljesen fénnyel vezérelhető, réteges geometriában elrendezett, alapot (1) és hullámhordozót (2) tartalmazó hullámvezetőt, továbbá csatolóelemet tartalmazó integrált optikai kapcsoló, azzal jellemezve, hogy
    - a hullámhordozóval (2) érintkező elrendezésben felvitt közege (3) van, amely előnyösen réteget képez,
    - a felvitt közeg (3) fotokróm fehérjét és előnyösen átlátszó, inért, filmképző anyagot tartalmaz,
    HU 225 834 Β1 ahol a hullámhordozóba (2) becsatolt fény terjedése a felvitt közeg (3) törésmutatójának - modulálófény (5’) alkalmazásával, a fehérje legalább két molekuláris állapota közötti átmenet útján kiváltott - módosításával befolyásolható.
  2. 2. Az 1. igénypont szerinti integrált optikai kapcsoló, azzal jellemezve, hogy a hullámhordozó (2) vékony réteg kialakítású, a csatolóelem meghatározott szögben beeső fénynek a hullámhordozóba (2) történő becsatolására alkalmas csatolóelem, a fotokróm fehérje bakteriorodopszin-családba tartozó fehérje.
  3. 3. A 2. igénypont szerinti integrált optikai kapcsoló, azzal jellemezve, hogy a csatolóelem rács vagy prizma.
  4. 4. A 3. igénypont szerinti integrált optikai kapcsoló, azzal jellemezve, hogy rácsként a hullámhordozó (2) határfelületén kialakított rácsot (4) és/vagy a felvitt közegben (3) kialakított, tranziens rácsot, és/vagy permanens, előnyösen holografikus exponálással kialakított rácsot tartalmaz.
  5. 5. Integrált optikai modul, azzal jellemezve, hogy az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti optikai kapcsolót tartalmaz.
  6. 6. Eljárás optikai kapcsolás végrehajtására alapot (1) és hullámhordozót (2) tartalmazó hullámvezetőt, továbbá csatolóelemet tartalmazó integrált optikai kapcsoló alkalmazásával, azzal jellemezve, hogy fényt csatolunk az, az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti integrált optikai kapcsoló részét képező hullámhordozóba (2), és modulálófény (5') alkalmazásával a felvitt közeg (3) fehérjetartalmának legalább két molekuláris állapota közötti átmenet kiváltása útján módosítjuk a felvitt közeg (3) törésmutatóját, és ezáltal befolyásoljuk a fény terjedését a hullámhordozóban (2).
  7. 7. A 6. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy modulálófényként (5’) monokromatikus fényt, előnyösen lézerfényt alkalmazunk.
  8. 8. A 6-7. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a hullámhordozóban (2) terjedő fényt kicsatoljuk.
  9. 9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a felvitt közeg (3) törésmutatójának a változásával a fény terjedését, kicsatolását vagy becsatolását megakadályozzuk vagy lehetővé tesszük.
  10. 10. A 6-9. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a becsatoláshoz és/vagy a kicsatoláshoz csatolóelemként a felvitt rétegben in situ kialakított tranziens rácsot, holografikus exponálással kialakított permanens rácsot és/vagy a hullámhordozóban kialakított rácsot alkalmazunk.
  11. 11. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy vagy a becsatoláshoz vagy a kicsatoláshoz prizmát alkalmazunk.
  12. 12. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy (i) a monokromatikus fényt rács (4) alkalmazásával csatoljuk be a hullámhordozóba (2), és (ii) a felvitt közeg (3) rácsot (4) fedő részének törésmutatóját módosítjuk.
  13. 13. Eljárás az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti integrált optikai kapcsoló előállítására hullámvezető felületének felvitt közeggel (3) történő bevonásával, azzal jellemezve, hogy (i) fotokróm fehérje vizes szuszpenzióját állítjuk elő, (ii) a szuszpenziót átlátszó, inért, filmképző anyaggal, előnyösen zselatinnal keverjük össze, amelynek végső koncentrációja előnyösen 0,5%, (iii) a kapott közeget, előnyösen vékony rétegként, hullámvezető hullámhordozó közegére visszük fel, és (vi) lamináris légáram alatt megszárítjuk.
HU0002588A 2000-07-07 2000-07-07 Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem HU225834B1 (hu)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HU0002588A HU225834B1 (hu) 2000-07-07 2000-07-07 Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem
AU2002218788A AU2002218788A1 (en) 2000-07-07 2001-07-09 Light driven, intergrated optical device
PCT/HU2001/000077 WO2002005017A1 (hu) 2000-07-07 2001-07-09 Light driven integrated optical device
EP01984183A EP1301821A1 (en) 2000-07-07 2001-07-09 Light driven, integrated optical device
US10/337,348 US6956984B2 (en) 2000-07-07 2003-01-07 Light driven, integrated optical device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HU0002588A HU225834B1 (hu) 2000-07-07 2000-07-07 Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem

Publications (3)

Publication Number Publication Date
HU0002588D0 HU0002588D0 (en) 2000-09-28
HUP0002588A2 HUP0002588A2 (hu) 2002-03-28
HU225834B1 true HU225834B1 (hu) 2007-10-29

Family

ID=89978453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
HU0002588A HU225834B1 (hu) 2000-07-07 2000-07-07 Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6956984B2 (hu)
EP (1) EP1301821A1 (hu)
AU (1) AU2002218788A1 (hu)
HU (1) HU225834B1 (hu)
WO (1) WO2002005017A1 (hu)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19961841A1 (de) * 1999-12-21 2001-06-28 Joergen Brosow Fälschungssicheres Informationsträgermaterial, daraus hergestellter Informationsträger und Vorrichtung zu dessen Prüfung
US7103242B2 (en) * 2004-03-10 2006-09-05 Ngee Ann Polytechnic Photonic switch with bacterial protein
US20100180937A1 (en) * 2008-06-30 2010-07-22 General Electric Company Holographic energy-collecting medium and associated device
DE102016113269A1 (de) * 2016-07-19 2018-01-25 Osram Opto Semiconductors Gmbh Leuchtvorrichtung für ein mobiles endgerät

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US544802A (en) * 1895-08-20 William b
US4540244A (en) * 1982-05-28 1985-09-10 International Business Machines Corporation Opto-optical light deflector/modulator
AU582893B2 (en) * 1985-09-10 1989-04-13 Gec-Marconi Limited Improvements relating to optical devices
JP2600069B2 (ja) 1985-09-14 1997-04-16 工業技術院長 光センサ
EP0254509B1 (en) * 1986-07-22 1992-05-06 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Wavelength sensitive optical devices
JPH02310538A (ja) 1989-05-26 1990-12-26 Ricoh Co Ltd バクテリオロドプシンを用いた光スイッチ
US5279932A (en) * 1989-09-13 1994-01-18 Fuji Photo Film Co., Ltd. Optical response element
CA2031823C (en) * 1989-12-20 1997-09-09 Yuji Kobayashi Optical switch for use with optical fibers
US5082629A (en) * 1989-12-29 1992-01-21 The Board Of The University Of Washington Thin-film spectroscopic sensor
JPH05196973A (ja) * 1991-09-12 1993-08-06 Sumitomo Electric Ind Ltd 光スイッチ
US5346789A (en) 1991-12-06 1994-09-13 Cornell Research Foundation, Inc. Oriented biological material for optical information storage and processing
DE4241871A1 (de) 1992-12-11 1994-06-16 Schulz Rudolf Ing Grad Molekularer Computer durch atomare Chips in Verbindung mit optischem Transistor sowie assoziativen Speichern
US5618654A (en) * 1992-12-24 1997-04-08 Hitachi, Ltd. Photo-controlled spatial light modulator
US5518858A (en) * 1994-05-26 1996-05-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Photochromic compositions and materials containing bacteriorhodopsin
US5781330A (en) 1996-04-05 1998-07-14 Lucent Technologies, Inc. High efficiency optical switching and display devices
US5757525A (en) * 1996-06-05 1998-05-26 University Of Massachusetts All-optical devices
US6381072B1 (en) * 1998-01-23 2002-04-30 Proxemics Lenslet array systems and methods
DE19831777A1 (de) * 1998-07-15 2000-02-03 Norbert Hampp Lichtmodulator mit photochromer Schicht
AU1722700A (en) * 1998-11-16 2000-06-05 Cambridge Scientific, Inc. Biopolymer-based holographic optical element
US6579673B2 (en) * 1998-12-17 2003-06-17 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Patterned deposition of antibody binding protein for optical diffraction-based biosensors
US6438295B1 (en) * 1999-10-05 2002-08-20 Nortel Networks Limited Adaptive optical waveguide router

Also Published As

Publication number Publication date
US20030152358A1 (en) 2003-08-14
WO2002005017A1 (hu) 2002-01-17
EP1301821A1 (en) 2003-04-16
HU0002588D0 (en) 2000-09-28
AU2002218788A1 (en) 2002-01-21
HUP0002588A2 (hu) 2002-03-28
US6956984B2 (en) 2005-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Benea-Chelmus et al. Electro-optic spatial light modulator from an engineered organic layer
Benea-Chelmus et al. Gigahertz free-space electro-optic modulators based on Mie resonances
Li et al. Dual color plasmonic pixels create a polarization controlled nano color palette
Kim et al. Self-assembled colloidal structures for photonics
Hassan Study of nonlinear optical properties and optical limiting of acid green 5 in solution and solid film
Che et al. Tunable optical metasurfaces enabled by multiple modulation mechanisms
KR100853131B1 (ko) 전자 기기 구동 방법 및 장치
US5757525A (en) All-optical devices
US7957617B2 (en) Methods, materials and devices for light manipulation with oriented molecular assemblies in micronscale photonic circuit elements with High-Q or slow light
US20030189749A1 (en) Electrochromic-nanoparticle displays
Roy et al. All‐Optical Reversible Logic Gates with Optically Controlled Bacteriorhodopsin Protein‐Coated Microresonators
Ormos et al. Protein-based integrated optical switching and modulation
Xu et al. Hybrid photonic integrated circuits for neuromorphic computing
He et al. Color coded metadevices toward programmed terahertz switching
Hopmann et al. Advances in electrochromic device technology through the exploitation of nanophotonic and nanoplasmonic effects
Ko et al. Electrochromic nanopixels with optical duality for optical encryption applications
Allayarov et al. Dynamic nonlocal dielectric metasurfaces: Tuning collective lattice resonances via substrate–superstrate permittivity contrast
HU225834B1 (hu) Fénnyel vezérelhetõ, réteges geometriában elrendezett integrált optikai kapcsoló, különösen integrált optikai logikai elem
Roy et al. Generalized model for all-optical light modulation in bacteriorhodopsin
Boiko et al. Angular shaping of fluorescence from synthetic opal-based photonic crystal
Roy et al. Design of all-optical reconfigurable logic unit with bacteriorhodopsin protein coated microcavity switches
JP6548649B2 (ja) 状態変化可能なデバイス、及び、メモリ状態を記憶するための方法
Maiuri et al. Ultrafast all-optical metasurfaces: challenges and new frontiers
Takei et al. Spatial light modulation based on photoinduced change in the complex refractive index of bacteriorhodopsin
Roy et al. Spatial wavefront shaping with a multipolar-resonant metasurface for structured illumination microscopy

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of definitive patent protection due to non-payment of fees