RO126715A2 - Întrerupător optic pe bază de galiu cu aplicaţii multiple - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un întrerupător optic pe bază de galiu, cu aplicaţii în domeniul optoelectronicii. Întrerupătorul optic, conform invenţiei, este alcătuit dintr-un pachet (2) de straturi subţiri, format din materiale transparente optic, cu indici de refracţie judicios aleşi, şi un strat de galiu care, împreună, formează o structură fizică în care radiaţia optică incidentă se reflectă, valoarea coeficientului de reflexie având două valori extreme, una mică, egală sau apropiată de zero, şi una substanţial mai mare, în funcţie de starea de agregare în care se află galiul, lichidă sau solidă.

Description

întrerupător optic pe baza de galiu cu aplicații multiple

- descrierea invenției Prezenta invenție se refera la un întrerupător optic pe baza de galiu care, in funcție de varianta constructiva aleasa si valorile alese ale parametrilor punctului de funcționare, poate avea diferite funcționalități si aplicații.

1. Domeniul tehnic

Domeniul tehnic in care se aplica invenția este cel al opticii si al optoelectronicii. In cele ce urmeaza enumerăm cateva din posibilele aplicații:

l.a) Siguranța optica automata resetabila

Un astfel de dispozitiv întrerupe fluxul luminos dintr-un circuit optic atunci când intensitatea fluxului luminos depășește o anumita valoare prag, I2, care prin magnitudinea ei poate deteriora anumite componente din circuitul optic. Trecerea siguranței optice din starea “deschis” in starea “închis” se realizează in mod automat, de indata ce intensitatea fluxului luminos atinge valoarea de prag I2. Siguranța optica va reveni in mod automat, din starea “închis” in starea “deschis”, atunci când intensitatea fluxului luminos va cobora sub o anumita valoarea de prag Ii, care este mai mica sau egala decât I2.

l.b) întrerupător de protecție al unui circuit optic.

Un întrerupător de protecție al unui circuit optic este un dispozitiv care permite întreruperea fluxului luminos intr-un circuit optic atunci când menținerea acestui flux luminos ar duce la producerea unor efecte nedorite, cum ar fi degradarea sau deteriorarea unor componente ale circuitului sau expunerea personalului din laborator unor riscuri. întreruperea fluxului luminos poate fi inițiata fie de o persoana operator, care supraveghează funcționarea circuitului optic, fie de un circuit de comanda care actioneaza atunci când sunt întrunite anumite condiții - de exemplu, deschiderea accidentala a ușii de la un laborator in care funcționează laseri de putere.

F?' '^JSSTATpEf^RUINVENp^rtȚ ₃ cerere de brevet de invenție

Data depozit..,„2 5 ’θΐ 20ΪΟ

-2 010-00061-2 5 -01- 2010 întrerupătorul optic propus are avantajul de a ramane in mod indefinit in starea „închis” si după încetarea acțiunii factorului declanșator, care poate avea o întindere temporala finita.

l.c) întrerupător de deschidere a unui circuit optic.

O alta varianta constructiva a întrerupătorului propus are ca rezultat obținerea unui întrerupător de deschidere al unui circuit optic, care îndeplinește funcția inversa a întrerupătorului de protecție; întrerupătorul va trece din poziția închis in poziția deschis sub acțiunea unui factor declanșator cu întindere temporala finita, si va ramane in mod indefinit in aceasta poziție si după încetarea factorului declanșator.

l.c) Modulator optic

In aceasta varianta funcționala întrerupătorul optic poate trece din starea „închis” in starea „deschis”, jucând rolul unui modulator „pozitiv”, sau invers, din starea „deschis” in starea „închis”, jucând rolul unui modulator „negativ”, exclusiv pe perioada acțiunii unui factor modulator extern. Astfel de modulatori pot fi folosiți pentru modularea activa a factorului de câștig Q intr-un sistem laser pentru obținerea unei serii de impulsuri laser la momente de timp bine precizate.

l.d) Limitator optic inferior.

Un astfel de dispozitiv permite trecerea fluxului luminos printr-un circuit optic doar daca intensitatea fluxului luminos depășește o anumita valoare de prag Iprag· Limitatorul optic va trece in mod automat din starea „închis” in starea „deschis” de indata ce intensitatea fluxului luminos incident atinge valoarea de prag Iprag· Limitatorul optic va reveni in mod automat din starea „deschis” in starea „închis” atunci când intensitatea fluxului luminos va cobora la o valoare mai mica sau egala cu valoare de prag Iprag care este mai mica sau egala decât fi. O sub-aplicatie specifica pentru un astfel de limitator optic este aceea de modulator pasiv al factorului de câștig Q al unei sistem laser.

^-2010-00061--

5 -01- 2010

2. Stadiul tehnicii

Tehnica întrerupătoarele optice a cunoscut o dezvoltare însemnata odata cu apariția Internetului, tehnologie ce presupune codificarea informației cu ajutorul pulsurilor de lumina si transmiterea acestora la distanta, prin intermediul fibrelor optice. Deși marea majoritate a tehnologiilor de fabricare a întrerupătoarelor optice au fost dezvoltate pentru aplicații in domeniul telecomunicațiilor exista de asemenea aplicații si in alte domenii cum ar fi cel medical, militar, aerospatial.

Unul dintre articolele de sinteza in ce privește întrerupătoarele optice este cel aparut in revista Journal of Lightwave Technology, volumul 21, numărul 2 din februarie 2003: „Optical Switching: Switch Fabrics, Techniques, and Architectures”, scris de Georgios I. Papadimitriou si co-autorii. Articolul face o trecere in revista a aplicațiilor, principiilor de funcționare, tehnologiilor de fabricație si a parametriilor de performanta pentru principalele categorii de întrerupătoare optice.

O clasificare din punctul de vedere funcțional împarte întrerupătoarele optice in doua categorii. Prima categorie este cea a întrerupătoarelor de tipul „deschis-inchis” care au un singur port de intrare si un singur port de ieșire - care pot fi același in cazul unui întrerupător care lucrează in reflexie. A doua categorie este cea a întrerupătoarelor care au unul sau mai multe porturi de intrare si unul sau mai multe porturi de ieșire. Astfel lumina care pătrunde pe unul din porturile de intrare este distribuita, simultan sau succesiv, la unul sau mai multe porturi de ieșire. Aceasta a doua categorie de comutatori optici au fost dezvoltați pentru aplicații in telecomunicații.

In continuare facem o prezentare scurta a principalelelor categorii de întrerupătoare optice din punctul de vedere al tehnologiei de fabricație.

întrerupătoarele opto-mecanice sunt acea categorie de întrerupătoare la care comutarea optica se realizează prin mijloace mecanice cu ajutorul a diferite componente optice, cum ar fi prisme sau oglinzi. O subcategorie a întrerupătoarelor opto-mecanice este cea bazata pe sisteme micro-

(^-2 0 1 0 - 0 0 0 6 1 -2 5 -01- 2010 l'Y electro-mecanice, unde o rețea de micro-suprafete reflectatoare sunt comandate electro-mecanic pentru a cupla lumina de la unul din porturile de intrare la unul din porturile de ieșire.

întrerupătoare electr o-optice folosesc efectul de variație a indicelui de refracție al unui material sub influenta unui câmp electric extern. Variația indicelui de refracție duce la o variație de drum optic care schimba condițiile de interferența pentru ramurile de ieșire ale unui cuplor direcțional. Asfel se poate schimba raportul dintre intensitățile luminoase de pe cele doua ramuri de ieșire.

întrerupătoarele termo-optice se bazeaza in principal pe variația indicelui de refracție a unui material ca urmare a variației temperaturii.

întrerupătoarele acusto-optice se bazeaza pe fenomenul de difracție a luminii pe un material supus acțiunii unei unde acustice.

întrerupătoarele bazate pe amplificatoare optice semiconductoare sunt întrerupătoare optice de tipul „deschis-inchis”. Ele se bazeaza pe faptul ca un mediu laser in care exista o inversiune de populație favorizează intensificarea fluxului de lumina incident, situație ce corespunde stării „deschis”, in timp ce lipsa unei inversiuni de populație duce la o atenuare a fluxului de lumina incident, situație ce corespunde stării „închis”.

întrerupătoarele cu cristale lichide se bazeaza pe schimbarea stării de polarizare a luminii de către moleculele unui cristal lichid atunci când acestea se aliniaza pe o anumita direcție, sub influenta unui câmp electric extern.

Unul din principalii parametri de performanta ai întrerupătoarelor optice este timpul de comutație. Cele mai rapide întrerupătoare optice sunt cele electro-optice, variantele comerciale ale acestora punând la dispoziție timpi de comutație de ordinul a catorva nanosecunde. In variante experimentale, de laborator, sau obtinut timpi de comutație de sute de ori mai mici. De exemplu, Institutul National pentru Tehnologia Informației si Comunicațiilor din Japonia, a dat publicității, in aprilie 2009, realizarea unui dispozitiv opto-electronic al cărui timp de comutație este de aproximativ 26 picosecunde.

V2 O 1 0 - O O O 61 - 2 5 -Ol· 2010

11¾ (http://www2.nict.go.jP/pub/whatsnew/press/h21/090402/090402_e.html#switch).

Un alt parametru de performanta important caracteristic întrerupătoarelor optice de tipul „deschis-inchis” este raportul de extincție, corespunzător raportului dintre intensitățile luminoase de ieșire pentru stările „deschis” si, respectiv, „închis”. Reprezentativ din acest punct de vedere sunt întrerupătoarele bazate pe amplificatoare optice semiconductoare.

Utilizarea galiului in vederea realizării unui nou tip de întrerupător optic a devenit un subiect de cercetare inca din anul 1997, fiind abordat pentru prima data de grupul domnului profesor Nikolay Zheludev de la Universitatea Southampton din Marea Britanie. [1-13]

Activitatea de cercetare pe acest subiect a valorificat proprietatea fizica remarcabila a galiului de creștere a coeficientului de reflexie sub influenta unui flux de lumina incident, atunci când el este menținut sub temperatura sa de topire de 29.7°C, dar in imediata vecinătate a acesteia. In cazul unei interfețe Ga-sticla sau Ga-aer creșterea coeficientului de reflexie are loc intre limitele valorilor corespunzătoare stării solide, aproximativ 50-55%, si celei corespunzătoare stării lichide, aproximativ 80-85%. Aceste valori depind intr-o mica măsură de lungimea de unda a luminii si de tehnologia de realizare a interfeței. Valorile diferite ale coeficientului de reflexie corespunzătoare stărilor de agregare solida si respectiv lichida se explica prin valorile diferite ale indicelui de refracție complex corespunzătoare celor doua stări de agregare.

Deși schimbarea de reflectivitate absoluta a interfeței Ga-sticla poate ajunge la o valoare însemnata, de aproximativ 25-30%, raportul de extincție este relativ modest, el situandu-se in jurul valorii 8/5 = 1,6. Acest lucru este o consecința a faptului ca variația de reflectivitate are loc intr-o zona de valori relativ mari, de peste 50%. O soluție pentru creșterea factorului de extincție, in condițiile menținerii aceluiași interval de variație a reflectivitatii, ar fi translatarea acestui interval in zona valorilor de reflectivitate mica, cat mai aproape de zero, lucru pe care si-1 propune sa-1 realizeze prezenta invenție.

3. Expunerea invenției

Λ-2 0 10-0 0 0 6 1 -2 5 -01- 2010

IIP

Subiectul prezentei cereri de brevet este un întrerupător optic care lucrează in reflexie si care se prezintă sub forma unui sistem optic interferometric. Acesta are in componenta sa, pe langa un pachet de straturi subțiri format din materiale transparente optic, cu indici de refracție judicios aleși, si un strat de galiu care joaca rolul principal in funcționarea întrerupătorului. Operarea întrerupătorului consta in modificarea coeficientului de reflexie al întrerupătorului intre valoarea zero si o alta valoare diferita de zero, acest lucru realizeazandu-se ca urmare a modificării stării de agregare a stratului de galiu, intre cea solida si cea lichida.

3.1. Modalitatea de acționare a întrerupătorului optic pe baza de galiu

Trecerea întrerupătorului din starea „deschis” in starea „închis” are loc ca urmare a schimbării stării de agregare a galiului, acesta fiind un proces de natura termica. Deci o modalitate evidenta de acționare a întrerupătorului este metoda directa, pe cale exclusiv termica, ce se realizează prin punerea in contact termic a întrerupătorului, cu un corp a cărui temperatura este mai mare sau mai mica decât temperatura de topire a galiului, in funcție de starea „închis” sau „deschis” in care se dorește comutarea întrerupătorului optic. Totuși, este puțin probabil ca o astfel de modalitate de acționare sa fie cea preferata in marea majoritate a aplicațiilor ce se vor dovedi utile pentru acest dispozitiv, in special datorita timpului de comutare relativ mare asociat transferului de căldură dintre doua corpuri puse in contact termic. O modalitate mult mai rapida de livrare a energiei necesare procesului de topire a galiului se poate realiza in mod indirect, pe cale electrica sau optica. Aceste modalitati de acționare permit obținerea unui timp de răspuns considerabil mai scurt comparativ cu calea exclusiv termica.

Acționarea electrica a întrerupătorului optic presupune atașarea unei perechi de electrozi la stratul de galiu. Trecerea unui curent electric intre cei doi electrozi duce la încălzirea acestuia prin efect Joule. Astfel este livrata energia necesara pentru procesul de topire al galiului.

In cazul acționarii pe cale optica a întrerupătorului optic, energia necesara procesului de topire al galiului este asigurata de un flux luminos care este trimis pe stratul de galiu si se absoarbe in

(Λ -2 Ο 1 Ο - Ο Ο Ο 6 1 - 2 5 -01- 2010 grosimea acestuia. Grosimea specifica de absorptie a undele electromagnetice din spectrul optic (UV-vizibil-infrarosu) pentru galiu este de cativa zeci de nanometri. In aceasta situație, de întrerupător optic comandat optic, este important de remarcat faptul ca putem vorbi despre doua tipuri de fluxuri luminoase. Exista mai intai noțiunea de fluxul luminos operant, care este cel folosit pentru acționarea întrerupătorului si care livrează enegia necesara pentru topirea stratului de galiu. In al doilea rând, exista noțiunea de flux luminos operat, care reprezintă fluxul luminos asupra caruia se dorește ca întrerupătorul optic sa acționeze; prin reflectarea sau nereflectarea acestuia când întrerupătorul optic este in starea „deschis” si respectiv „închis”. Pot exista situații in care fluxul luminos operat joaca si rolul de flux luminos operant după cum pot exista si situații in care fluxul luminos operant este distinct de fluxul luminos operat. In aceasta din urma situație fluxul luminos operant poate fi livrat pe același port ca si fluxul luminos operat sau pe o alta cale de intrare care asigura accesul la stratul de galiu.

Daca modalitatea de acționare a întrerupătorului care realizează trecerea galiului din stare solida in stare lichida se poate realiza in esența pe trei cai distincte, termica, electrica si optica, in schimb, comutarea întrerupătorului corespunzătoare revenirii galiului din starea lichida in starea solida se poate face exclusiv pe cale termica prin disiparea energiei termice acumulate, asfel incat temperatura galiului sa coboare sub temperatura de solidificare. Acest lucru inseamna ca timpul de răspuns al întrerupătorului optic corespunzător trecerii galiului din stare lichida in stare solida, in marea majoritate a cazurilor de interes practic, va fi substanțial mai mare decât in cazul transformării inverse, el fiind practic limitat de viteza de scădere a temperaturii stratului de galiu, care depinde de temperatura si alte proprietăți termice a mediului cu care se învecinează stratul de galiu [7,8]. Timpul de comutare al întrerupătorului optic corespunzător disipării energiei termice acumulate este de cateva sute sau mii de ori mai mare decât cel corespunzător procesului invers.

O consecința evidenta a modalității de acționare a întrerupătorului optic este aceea ca acest dispozitiv trebuie menținut intr-un mediu ambiental a cărui temperatura este sub valoarea temperaturii de solidificare a galiului astfel incat sa fie posibila revenirea galiului in stare solida.

3.2. Principiul de funcționare

<V2 O 1 O - O O O 6 1 - 2 5 -01)lo întrerupătorul optic propus de prezenta cerere este de tipul „deschis-inchis” si este conceput pentru a opera in reflexie, la o anumita lungime de unda pre-determinata. întrerupătorul optic reflexiv are un singur port, care este același atat pentru lumina incidența cat si pentru lumina reflectata.

O contribuție originala a soluției tehnice propuse aici, ce are ca rezultat un coeficient de extincție ridicat, este aceea de a include stratul reflectator de galiu in structura unui sistem interferometric, judicios proiectat, astfel incat limita inferioara a intervalului de variație a reflectivitatii sistemului astfel format sa fie egala cu zero sau cat mai aproape de zero. Comparativ cu situațiile studiate pana in prezent [1-13], in care sistemul optic reflexiv era format doar dintr-o interfața Ga-aer sau Ga-sticla si pentru care limita inferioara a intervalului de reflectivitate se situa in jurul valoriii de 50-60%, in cazul de fata, intre mediul optic incident si stratul de galiu exista un pachet interferential format din unul sau mai multe straturi subțiri din materiale optic transparente si indici de refracție de valori alternate, mic-mare, care au rolul de a cobora limita inferioara a intervalului de variație a reflectivitatii cat mai aproape de valoarea zero. Rezultatul deplasării limitei inferioare a intervalului de variație a reflectivitatii către valoarea zero, in condițiile in care se menține neschimbata marimea intervalului de variație, este creșterea coeficientului de extincție.

Deci comutarea întrerupătorului intre stările „închis” si „deschis” consta in modificarea coeficientului de reflexie al sistemului interferometric intre o valoare mica, care este zero sau una foarte apropriata de zero, si o alta valoare, substanțial mai mare. Aceasta modificare a coeficientului de reflexie apare ca urmare a modificării stării de agregare a galiului. Exista doua mecanisme prin care modificarea stării de agregare a galiului poate induce modificarea coeficientului de reflexie a sistemului interferometric: variația indicelui de refracție complex a galiului si variația de volum a galiului la schimbarea stării sale de agregare.

3.2.a) Variația indicelui de refracție complex

Existenta unei diferente intre indicii de refracție complecși ai galiului, corespunzători stărilor de agregare solida si respectiv lichida, determina existenta unei diferente notabile, de aproximativ de 25-30%, intre valorile reflectivitatii galului corespunzătoare acestor doua stări de agregare. Daca

<<-2 010-000^1-2 5 -01- 2010 /07 indicele de refracție complex al galiului este singurul pararametru din structura sistemului interfereometric care se modifica atunci variația de reflectivitate de 25-30% a galiului se va regăsi si la nivelul reflectivitatii sistemului interferometric.

3.2.b) Variația de volum

Proprietatea galiului de a-si mari volumul cu 3% ca urmare a trecerii sale din faza lichida in faza solida, la presiune atmosferica constanta, oferă o a doua modalitate de modificare a reflectivitatii pachetului interferential de straturi subțiri ce are in componenta stratul de galiu. Acest mecanism de modificare a reflectivitatii, ce urmează a fi descris mai jos, reprezintă o contribuție originala a soluției tehnice ce face obiectul prezentei cereri de brevet de invenție. Schimbarea de reflectivitate ce se poate obține pe aceasta cale este de aproximativ 98% in valoare absoluta, deci, cu aproximativ 3-4 ori mai mare decât in cazul in care modificarea de reflectivitate este indusa exclusiv prin mecanismului modificării indicelui de refracție complex.

Avand in vedere cele doua mecanisme amintite mai sus, prezenta cerere de brevet de invenție propune doua variante constructive distincte pentru întrerupătorul optic multifuncțional pe baza de galiu.

Prima varianta este cea a întrerupătorului optic cu strat subțire de galiu, a cărui grosime este de ordinul a cativa microni. Aceasta varianta constructiva valorifica atat variația indicelui de refracție cat si variația de volum a galiului pentru a induce variația de reflectivitate a întrerupătorului optic. In aceasta varianta constructiva rolul principal in modificarea coeficientului de reflectivitate al întrerupătorului optic il are variația de volum a galiului. Variația de reflectivitate obtinuta in aceasta varianta constructiva este deosebit de mare, de aproximativ 98% in valoare absoluta.

Cea de-a doua varianta constructiva este cea a întrerupătorului optic cu strat ultra-subtire de galiu, a cărui grosime este de ordinul a cativa zeci de nanometri. In aceasta varianta se folosește in mod exclusiv variația indicelui de refracție a galiului pentru a induce variația de reflectivitate a întrerupătorului optic. Aceasta varianta constructiva oferă o variație de reflectivitate mai mica dar

C<- 2 O ' O - o O O O 1 - 2 5-01-2011} l₀$ o tehnologie de fabricație mai simpla, timpi de comutație mai rapzi si, după cum se va vedea in cele ce urmeaza, posibilitatea de a comanda întrerupătorul optic cu puteri optice mai scăzute.

Asa cum s-a menționat deja, pentru ambele variante constructive se urmărește o poziționare a intervalului de variație a reflectivitatii in zona valorilor mici, astfel incat limita inferioara sa fie cat mai aproapiata de zero, pentru obținerea unui coeficient de extincție cat mai mare.

Ambele variante constructive pot fi proiectate astfel incat starea de reflectivitate mica sa corespunda fie stării de agregare solida a galiului (întrerupător de tip S), fie stării de agregare lichida a galiului (întrerupător de tip L).

3.3. întrerupător optic cu strat subțire de galiu

Modul de alcătuire al întrerupătorului optic in aceasta varianta constructiva este prezentat in figura 1. Mediul optic incident (1) poate fi format dintr-un material solid, optic transparent, cum ar fi, de exemplu, dioxidul de siliciu. Acest mediu optic incident are o fata plana de calitate optica pe care se depune pachetul interferential de straturi subțiri (2). Lumina care vine din mediul optic incident va trece prin pachetul interferential, va traversa un interval spațial de separare (3), de grosime mica din punct de vedere optic, si va a ajunge la suprafața stratului de galiu. Stratul de galiu este depus pe un substrat suport (4) a cărui poziție in raport cu pachetul interferential si cu mediul optic incident este fixa. De aceea, modificarea grosimii stratului de galiu, ca urmare a schimbării stării de agregare, va determina o deplasare a suprafeței libere a acestuia in raport cu pachetul interferential si implicit o modificare a grosimii intervalului spațial care separa pachetul interferential de stratul de galiu. Variația grosimii intervalului spațial de separare va fi egala in modul si de semn contrar cu variația grosimii stratului de galiu. Pentru a putea avea loc modificare grosimii intervalului spațial de separare este necesar ca acesta din urma trebuie sa fie vidat sau umplut cu un gaz transparent optic, la presiune scăzută. In acest fel nu va fi împiedicata deplasarea suprafeței libere a stratului de galiu atunci când acesta isi va schimba starea de agregare.

1 0 - 0 0 0 6 (-2 5 -01- 2010

Coeficientul de reflexie al structurii interferentiale astfel formate, in cazul in care intervalul spațial de separare este umplut, de exemplu, cu aer, este dat de următoarea expresie:

^rGa (fț-f - ff f )exp(- i2m_aerd_aer M) + r/ ¹ - ^rGa ^rf ^eXP(- ⁱ²™aer^daer < Ψ (1) unde n_aer este indicele de refracție al aerului; d_aer este grosimea intervalului spațial de separare ce conține aer; λ este lungimea de unda a luminii asupra careia operează întrerupătorul optic; r_Ga este coeficientul Fresnel de reflexie la interfața aer/galiu; rț si t⁺ _f sunt coeficienții Fresnel echivalenți de reflexie si respectiv transmisie ai interfeței dintre mediul optic inident si intervalul de separare iar rf si t~_f sunt coeficienții Fresnel echivalenți de reflexie si respectiv transmisie ai interfeței inverse, adica dintre intervalul de separare si mediul optic inident.

Ideea funcționarii întrerupătorului optic in aceasta varianta este aceea ca modificarea stării de agregare a galiului va determina o modificare a valorilor d_aer si r_Ga in expresia coeficientului de reflexie R a întrerupătorului optic. Ca urmare a acestui lucru, pentru fiecare stare de agregare a stratului de galiu va corespunde o valoare a coeficientul de reflexie R. Este de dorit ca una din aceste valori sa fie cat mai apropiata de zero iar cealalta sa fie cat mai aproape de unitate pentru a obține un coeficient de extincție cat mai ridicat. In continuare descriem algoritmul de proiectare a structurii interferentiale a întrerupătorului optic pentru a obține acest coeficient de extincție ridicat.

Studiind formula coeficientului de reflexie R se poate observa mai intai ca daca pachetul interferential este format din materiale care nu absorb lumina incidența, atunci, termenul -rfrf} are întotdeauna modulul egal cu unitatea. întrucât si termenul exp(-i2m_aerd_aer /λ} are modulul egal tot cu unitatea rezulta ca valoarea zero pentru coeficientul de reflexie R se poate obține numai daca modulul lui rf este egal cu modulul lui r_Ga. In absenta unui pachet interferential judicios proiectat este puțin probabila gasirea unui mediu optic incident pentru care M=k| ; de regula modulul lui rf este mai mic decât modulul lui r_Ga. De aceea rolul

χ-2 Ο 1 ο - ο ο ο -^f - 2 5 -Oh 2111(1

pachetului interferential este de a aduce valoarea modului lui r⁺ _f la cea a modului lui r_Ga. O data întrunită aceasta condiție, = se poate găsi, pe cale numerica, doua tipuri de valori, pe care le notam cu d_aer^₌₀ si respectiv fo_er|_/<=/<max > pentru care coeficientul de reflexie R are valoarea zero si respectiv o valoare maxima posibila. De fapt exista o infinitate de valori discrete de tipul d_a\ ., si o infinitate de valori discrete de tipul d„\ _n , ambele familii de valori reprezentrand cate o progresie aritmetica. Grosimea stratului de galiu si poziția acestuia in raport cu pachetul interferential trebuie astfel alese incat grosimea intervalului spațial de separare sa aiba o valoare de tipul d_aer | , pentru o anumita stare de agregare a galiului, si o valoare de tipul ^_fler|_fl=max pentru cealalta stare de agregare a galiului. Asa cum am menționat deja întrerupătorul optic este de tip S daca valoarea aleasa pentru d_aer | corespunde stării de agregare solida sau va fi de tip L daca aceasta corespunde stării de agregare lichida. In cazul unui întrerupător de tip S valoarea lui d„\ „ va fi mai mica decât valoarea lui d_n„\„ „ si invers in cazul unui întrerupător de tip L. In ambele situații este de interes ca valorile valorile d„„\„ _n si d,_pr\_n „ sa ^{r r} “^erIJ?=0 ^aer IR-R max fie cat mai mici posibile pentru a asigura o coerenta cat mai buna pentru undele luminoase care interfera in structura interferometrica a întrerupătorului optic. Totuși, aceste valori trebuie sa fie suficient de mari pentru a înlătură eventuale dificultăți de ordin tehnic in ce privește construcția întrerupătorului. De aceea limita inferioara a intervalul de interes pentru aceste valori este de ordinul a cateva sute de nanometri. De asemenea este foarte important ca valorile alese pentru d_n,_r\„ _n si d„„\„ „ sa fie cat mai apropiate intre ele deoarece acest lucru face posibil o valoare cat mai mica pentru grosimea stratului de galiu, d_Ga. Acest lucru rezulta din faptul ca trebuie respectata relația d_Ga · 0.03 = \d_aer|_A=Amax ~</_fler|_A=0| · Existenta unei grosimi mici pentru stratul de galiu ajuta la micșorarea puterii necesare pentru acționarea întrerupătorului cat si la micșorarea timpilor de comutație a acestuia.

Algoritmul de proiectare a structurii întrerupătorului optic in aceasta varianta constructiva consta in următoarele etape:

<χ_- 2 Ο 1 Ο - ο Ο Ο 6 1 - 2 5 -01- 2010

1. Proiectarea pachetului interferential de straturi subțiri cu indici de refracție alternanti astfel incat sa aducem modulul coeficientului de reflexie Fresnel la valoarea modului coeficientului de reflexie Fresnel r_r„.

2. Alegerea perechii de valori apropiate, <^_αίΓ|_Λ=0 si ^_aer|_/(=/(max, pentru care coeficientul de reflexie al întrerupătorului este zero si, respectiv, maxim posibil.

3. Alegerea grosimii stratului de galiu care satisface relația d_Ga * O.O3 = |_{Λ=Λιηβχ} “ ^d _aer |_Λ=01 ·

In figurile 2 si 3, sunt prezentate cate un exemplu de întrerupător optic cu strat subțire de galiu de tip S, si respectiv unul de tip L. Ambele întrerupătoare sunt concepute pentru a opera pe lungimea de unda a radiației laser He-Ne, de 632.8 nm. Fiecare din aceste exemple se poat realiza pe căpătui unei fibre optice uni-modale de telecomunicații, fibra optica reprezentând atat portul de intrare cat si portul de ieșire a întrerupătorului optic reflexiv. Zona activa a capătului de fibra optica, pe care se aseaza pachetul interferential de straturi subțiri, este zona miezului de fibra (1), prin care lumina se propaga si care are o secțiune transversala de aproximativ 8-12 microni. Deci atat mediul incident cat si mediul emergent al luminii asupra careia întrerupătorul optic operează este dioxidul de siliciu, care, pentru lungimea de unda de 632.8 nm si temperatura de 29.7 °C, are un indice de refracție egal cu 1.45702. In ambele exemple, de tip S si respectiv de tip L, pe căpătui fibrei optice se depun straturi succesive de fluorura de magneziu si sulfura de zinc, care au indicii de refracție 1.383 si respectiv 2.35049. Aceste straturi sunt desenate, in fiecare din figurile 2 si 3, cu culoare roșie pentru fluorura de magneziu si respectiv cu verde pentru sulfura de zinc. Grosimea fiecărui strat este marcata pe desen. In cazul figurii 3, mențiunea ”} x 3” din dreptul primei perechi de straturi de fluorura de magneziu si sulfura de zinc indica faptul ca pachetul interferential conține o succesiune de 3 astfel de perechi de straturi.

In cazul întrerupătorului optic cu strat subțire de galiu de tip S, prezentat in figura 2, coeficientul minim de reflexie este practic egal cu zero, 2.59 · IO'⁵ %, iar cel maxim este de 98.84 %.

(λ-201 Ο - D Ο Ο & 1 2 5 -01- 2010 /ογ

In cazul întrerupătorului optic cu strat subțire de galiu de tip L, prezentat in figura 3, coeficientul minim de reflexie al întrerupătorului optic este de asemenea practic egal cu zero, 7.94 · IO’⁶ %, iar cel maxim este de 98.84 %.

3.4. întrerupător optic cu strat ultra-subtire de galiu

Modul de alcătuire a întrerupătorului optic in aceasta varianta constructiva este prezentat in figura

4. Fata de varianta constructiva anterioara lipsește intervalul de separare, ceea ce inseamna ca stratul de galiu este depus direct pe pachetul interferential de straturi subțiri (2). De aceea, in aceasta varianta constructiva, variația de volum a stratului de galiu, ce are loc odata cu schimbarea stării de agregare a acestuia, nu mai joaca nici un rol in schimbarea coeficientului de reflexie. De aceea grosimea stratului de galiu trebuie sa fie doar atat de mare incat sa asigure o buna absorbție a luminii care cade pe acesta. O valoare de cativa zeci de nanometri pentru grosimea stratului de galiu satisface aceasta condiție in cazul in care este vorba de radiație electromagnetica din spectrul optic, ultraviolet-vizibil-infrarosu.

Formula care exprima coeficientul de reflexie al întrerupătorului optic este aceeași cu cea obtinuta pentru varianta constructiva anterioara cu mențiunea ca termenul d_aer , in cazul acesta, are in mod necesar valoarea zero datorita lipsei intervalului spațial de separare.

Si in aceasta varianta constructiva rolul pachetului interferential de straturi subțiri este acela de a reduce la minimum coeficientul de reflexie R pentru o anumita stare de agregare a galiului, fie ca aceasta stare aleasa este cea solida sau cea lichida. In aceasta varianta nu mai exista nici o garanție ca coeficientul de reflexie R va putea atinge valoarea zero, dar se pot obține totuși valori scăzute, sub nivelul de 1%. Valoarea minima a coeficientului de reflexie R se va obține atunci când modulul lui r/ este in imediata vecinătate a modului lui r_Ga. O data cu schimbarea stării de agregare a galiului coeficientului de reflexie R va creștere cu peste 25% pe scara absoluta.

Ca urmare a celor aratate mai sus putem concluziona ca algoritmul de proiectare a structurii a întrerupătorului optic in aceasta varianta constructiva consta dintr-o singura etapa:

$-2 0 1 0 - 0 0 0 6 1 -2 5 -01- 2010 lob

1. Proiectarea pachetului interferential de straturi subțiri cu indici de refracție alternanti astfel incat sa minimizam valorea coeficientului de reflexie al întrerupătorului optic. Acest lucru poate sa fie făcut pentru oricare din stările de agregare a galiului.

In figurile 5 si 6 sunt prezentate cate un exemplu de întrerupător optic cu strat ultra-subtire de galiu, de tip S si respectiv de tip L. Elementele descriptive din aceste figuri au aceeași semnificație cu cele din figurile 2 si 3. Deosebirea care apare fata de exemplele de întrerupătoare cu strat subțire de galiu este lipsa intervalului spațial de separare.De aceea stratul ultra-subtire de galiu se depune direct pe pachetul interferential de straturi subțiri, nefiind necesar un alt substrat suport, cum era prevăzut in varianta anterioara.

Calculele arata ca, in cazul exemplelor din figurile 5 si 6, un strat de galiu cu grosimea de 29 nm este suficient pentru ca radiația care pătrunde in stratul de galiu sa fie suficient de mult absorbita astfel incat sa se păstreze validitatea formulei (1) pentru coeficientul de reflexie.

In cazul întrerupătorului optic cu strat ultra-subtire de galiu de tip S, prezentat in figura 5, coeficientul minim de reflexie al întrerupătorului optic este 0.7874 % iar cel maxim este de 27.86 %.

In cazul întrerupătorului optic cu strat ultra-subtire de galiu de tip L, prezentat in figura 6, coeficientul minim de reflexie al întrerupătorului optic este 0.30 % iar cel maxim este de 30.38 %.

3.5. Funcționalitatea si aplicațiile Întrerupătorului optic pe baza de galiu.

Diferentele de funcționalitate intre variantele de întrerupător optic, cu strat subțire si respectiv ultra-subtire de galiu, sunt mai degraba de ordin cantitativ si ele au fost evindentiate in descrierea principiului de funcționare a acestuia. Asa cum se va arata in continuare o diferența notabila de funcționalitate, de ordin calitativ, exista intre variantele de tip S si respectiv L ale întrerupătorului optic.

Oc- 2 0 1 0 - 0 0 0 6 1 -2 5 -01- 2010

Pentru a înțelege funcționalitatea întrerupătorului optic este necesar sa cunoaștem mai intai faptul ca procesul de topire si re-solidificare al galiului este un proces ciclic care prezintă fenomenul de histeresis. Aceasta proprietate de histeresis este ilustrata in figura 7. Aceasta figura prezintă dependenta densității galiului in funcție de temperatura in vecinatatatea temperaturilor de topire si solidificare. In timp ce temperatura de topire are o valoare bine determinata la presiunea atmosferica, de 29.7 grade Celsius, s-a observat ca valoarea temperaturii de solidificare nu are întotdeauna aceeași valoare, aceast depinzând de modul in care are loc procesul de solidificare. Temperatura de solidificare poate fi, aproximativ, cu doua pana la optsprezece grade Celsius mai mica decât temperatura de lichefiere. In figura 7 procesul de topire este marcat cu linie verde iar procesul de solidificare este marcat cu linie roșie. Densitatea galiului in stare lichida este mai mare decât in stare solida; volumul galiului creste cu 3% in procesul de solidificare.

3.5.1. Funcționalitatea si aplicațiile întrerupătorului optic pe baza de galiu de tip L.

Funcționalitatea întrerupătorului optic de tip L este ilustrata cu ajutorul figurilor 8a si 8b, in care se prezintă diagrama temperatura - intensitatea fluxului luminos incident (T-Iincident) pentru stratul de galiu si, respectiv, diagrama intensitatea reflectata - intensitatea incidența (IreflectatIincident) pentru întrerupătorul optic. Ambele diagrame corespunzând regimului staționar. Intre cele doua tipuri de diagrama exista o legătură de determinare directa, prima determinand-o pe cea de-a doua.

Funcționalitatea descrisa in figurile 8a si 8b presupune o temperatura ambientala mai mica decât temperatura de solidificare a galiului, ceea ce inseamna ca in absenta unui flux luminos incident stratul de galiu se afla la temperatura ambientala. Figura 8a descrie variația temperaturii galiului de-a lungul unui ciclu de crestere-decrestere a intensității fluxului incident, curba corespunzătoare creșterii intensității incidente fiind marcata cu verde iar cea corespunzătoare scăderii intensității incidente fiind marcata cu roșu.

Atata timp cat galiul se afla in stare solida, temperatura acestuia va creste relativ lent cu intensitatea fluxului incident pentru ca stratul de galiu absoarbe putina energie de la fluxul luminos incident, in condițiile in care coeficientul de reflexie ramane la o valoare relativ ridicata.

Λ-2 0 1 0 - 0 0 0 6 1 -2 5 -01- 2010

Exista deci o panta de creștere a temperaturii corespunzătoare stării de agregare solida a galiului, unde reflectivitatea este relativ ridicata. Dreapta asociata acestei pante este marcata cu linie întrerupta si este indicata prin simbolul S(R_MAx).

In momentul in care intensitatea luminoasa incidența creste la o anumita valoare, pe care o notam cu I2, galiul ajunge la temperatura de topire si temperatura înregistrează un salt brusc ca urmare a faptului ca punctul de funcționare din diagrama trece pe o alta panta de creștere a temperaturii. Aceasta panta corespunde stării lichide a galiului, unde coeficientul de reflexie are o valoare relativ mica si favorizează încălzirea stratului de galiu ca urmare a absorptiei fluxului luminos incident. Dreapta asociata acestei pante este marcata cu linie întrerupta si este indicata prin simbolul L(Rmin)·

In momentul in care intensitatea fluxului luminos incident coboara si atinge o valoarea notata Ii galiu atinge valoarea temperaturii de solidificare si punctul de funcționare din diagrama revine pe panta de variație corespunzătoare stării solide. Se observa ca diagrama T-I_INcident prezintă o caracteristica de histeresis la care contribuie atat caracteristica de histeres a procesului de topiresolidificare a galiului, ilustrata in figura 7, cat si reflectivitatile diferite ale stratului de galiu in cele doua stări de agregare. Deci caracteristica de histeresis a diagramei Τ-Ijncident se pastreaza chiar daca daca temperatura de solidificare a galiului ar fi egala cu temperatura de topire. In figura 8a se poate observa existenta a cinci puncte semnificative, numerotate de la O la 4, zero corespunzând situației in care stratul de galiu se afla la temperatura ambientala, in absenta unui flux luminos incident. Punctele 0-4 indica parametrii de temperatura si intensitate a fluxului luminos incident unde se modifica tipul de evoluție a punctului de funcționare din diagrama.

Diagrama din figura 8a poate fi tradusa intr-o diagrama de tipul Ireflectat-Iincident, care este prezentata in figura 8b. Si in cazul acestei diagrame, intensitățile Ii si I2, si punctele numerotate de la 0 la 4 pastreaza aceeași semnificație fizica ca si in cazul diagramei anterioare. Similar celor menționate in cazul diagramei T-I]_Ncident, si in cazul diagramei Ireflectat-Iincident, simbolurile S(Rmax) si L(Rmin) indica dreptele asociate pantelor de variație a intensității reflectate cu intensitatea incidența pentru situațiile in care stratul de galiu se afla in stare solida si respectiv lichida.

r - 2 Ο 1 (1 - Ο Ο Ο 6 1 - 2 5 -01- 2010

In funcție de poziția punctului de funcționare pe diagrama Ireflectat-Iincident si in funcție de magnitudinea factorului modulator se pot identifica cateva aplicații importante pentru acest tip de întrerupător optic.

3.5.l.a) Siguranța optica automata resetabila

Daca punctul de funcționare este pe dreapta S(Rmax), intre punctul O si 1 al diagramei IreflectatIincident atunci întrerupătorul poate juca rolul unei siguranțe optice automate. Nivelul de intensitate luminoasa incidența la care coeficientul de reflexie scade brusc la o valoare mica este la valoarea I₂. Odata atins acest nivel siguranța optica ramane in poziția „închis” atata timp cat nivelul intensității luminoase incidente nu coboara sub valoarea fi. Siguranța optica se reseteaza in mod automat, adica coeficientul de reflexie revine la valoarea ridicata inițiala, de indata ce intensitatea luminoasa incidența coboara sub valoarea fi.

3.5.1. b) întrerupător optic de protecție al circuitelor optice

Daca punctul de funcționare este pe dreapta S(Rmax), intre punctul 4 si 1 al diagramei IreflectatIincident atunci întrerupătorul poate fi folosit pentru întreruperea fluxului luminos intr-un circuit optic prin acțiunea unui factor modulator de scurta durata. Pentru un astfel de punct de funcționare stratul de galiu se afla in stare solida, la o temperatura cuprinsa intre temperatura de topire si temperatura de solidificare. Un factor modulator de scurta durata, dar suficient de intens, cum ar fi un puls de curent electric prin stratul de galiu sau un puls suplimentar de intensitate luminoasa incidența, poate determina trecerea stratului de galiu in stare lichida, subracita. Astfel punctul de funcționare de pe diagrama realizează un salt de pe segmentul 4-1 pe segmentul 2-3, unde coeficientul de reflexie are valoare mica. Astfel, in urma unui puls modulator, întrerupătorul trece din starea deschis in starea închis si ramane in aceasta stare si după dispariția pulsului modulator.

3.5.1. c) Modulator optic negativ

α- 2 Ο 1 Ο - Ο Ο Ο 6 1 - 2 5 -01- 2010

Daca punctul de funcționare este pe dreapta S(Rmax)? intre punctul O si 4 al diagramei IreflectatIincident din figura 8b atunci întrerupătorul poate folosit ca modulator optic negativ, adica acesta poate trece din starea „deschis” in starea „închis” sub influenta unui factor modulator extern. Pentru ca acest lucru sa fie posibil este necesar ca factorul modulator sa aiba o magnitudine suficient de mare pentru a determina trecerea stratului de galiu din stare solida in stare lichida. La încetarea acțiunii factorului modulator întrerupătorul va reveni la starea „deschis”.

3.5.2. Funcționalitatea si aplicațiile întrerupătorului optic pe baza de galiu de tip S.

In cazul întrerupătorului de tip S, in funcție de poziția temperaturii ambientale si a temperaturii de solidificare a galiului in raport cu temperatura de topire si in funcție de valorile reflectivitatii pentru starea solida si respectiv lichida a stratului de galiu, putem indentifica doua subtipuri de functionalite. Primul subtip de funcționalitate o denumim functionalitae cu histeresis stabil. Diagramele T-Ijncident si Ireflectat-Iincident ale acestui tip de funcționalitate sunt descrise in figurile 9 a si respectiv 9b. Al doilea subtip de funcționalitate o denumim functionalitae cu histeresis instabil si acest tip este descris de către diagramele T-Ii_NCident si Ireflectat-Iincident din figurile 10a si respectivlOb. Cazul limita care face trecerea de la funcționalitatea cu histeresis stabil la cea cu histeresis instabil este descris in figurile 11a si 11b, care conțin diagramele TIincident si Ireflectat-Iincident pentru acest caz particular.

Subtipul de funcționalitate descris in figurile 10a si 10b poarta denumirea de funcționalitate cu histeresis instabil deorece atunci când intensitatea fluxului luminos incident se afla intre valorile marcate cu fi si l₂ intensitatea fluxului luminos nu are o valoara stabila. De exemplu, daca stratul de galiu s-ar afla in stare solida atunci reflectivitatea ar fi de asa natura incat ar determina trecerea acestuia in stare lichida si, viceversa, daca stratul de galiu s-ar afla in stare solida atunci reflectivitatea ar fi de asa natura incat ar determina trecerea acestuia in stare lichida.

Simbolurile si notațiile folosite in figurile 9-11, pentru a descrie diversele tipuri de funcționalitate ale întrerupătorului optic de tip S au o semnificație similara ca si in cazul figurilor 8a si 8b unde s-a descris funcționalitatea întrerupătorului optic de tip L.

0.-2 O 1 0 - 0 O O61 - 2 5 -01- 2010

Aplicațiile posibile ale întrerupătorului optic de tip S sunt următoarele:

3.5.2. a) întrerupător de deschidere a unui circuit optic

Daca punctul de funcționare al întrerupătorului optic se afla pe dreapta S(Rmin) intre punctele 1 si 4 ale diagramei Ireflectat-Iincident din figura 9b, atunci el va putea trece in starea „deschis” si va ramane acolo in mod indefinit doar in urma acțiunii unui factor modulator de scurta durata. Factorul modulator trebuie sa fie doar suficient de intens pentru a induce tranziția de faza a stratului de galiu din faza solida in cea lichida.

3.5.2. b) Modulator optic pozitiv

Daca punctul de funcționare se afla pe dreapta S(Rmin) intre punctele O si 4 ale diagramei Ireflectat-Iincident din figura 9b, atunci întrerupătorul poate folosit ca modulator optic pozitiv, adica acesta poate trece din starea „închis” in starea „deschis” sub influenta unui factor modulator extern. Pentru ca acest lucru sa fie posibil este necesar ca factorul modulator sa aiba o magnitudine suficient de mare pentru a determina trecerea stratului de galiu din stare solida in stare lichida. La încetarea acțiunii factorului modulator întrerupătorul va reveni la starea „închis”, întrerupătorul optic poate fi folosit ca modulator optic pozitiv si in cazul in care diagrama Ireflectat-Iincident este cea din figurile 10b sau 11b daca punctul de funcționare se afla pe dreapta S(Rmin) intre punctele O si 4 si, respectiv, O si 1.

3.5.2. c) Limitator optic inferior

Acest tip de aplicație se distinge prin faptul ca factorul modulator al întrerupătorului optic este insusi fluxul optic asupra cărui operează întrerupătorul. In cazul diagramei Ireflectat-Iincident din figura 11b se observa ca întrerupătorul este in poziția „închis” pentru o intensitate a fluxului luminos incident mai mica decât Iprag si este in poziția „deschis” pentru valori mai mari decât IpRAG· Acest tip de funcționalitate este util pentru realizarea unui modulator pasiv al factorului de câștig Q al unei sistem laser (passive Q-swiching device).

Claims (6)

1) Un întrerupător optic reflexiv care conține un strat de galiu cu precizarea ca întrerupătorul mai include un pachet format din unul sau mai multe straturi subțiri de materiale optic transparent, care, împreuna cu stratul de galiu, formează o structura fizica in care radiația optica incidența se reflecta, valoarea coeficientului de reflexie avand doua valori extreme, una mica egala sau apropiata de zero si ina substanțial mai mare, in funcție starea de agregare in care se afla galiul, lichida sau solida.

2) Un dispozitiv ca la punctul 1 cu precizarea ca starea de reflectivitate mica corespunde stării solide a galiului iar cea de reflectivitate mare stării lichide a galiului.

3) Un dispozitiv ca la punctul 1 cu precizarea ca starea de reflectivitate mica corespunde stării lichide a galiului iar cea de reflectivitate mare stării solide a galiului.

4) Un dispozitiv ca la punct 2 sau 3 cu precizarea ca variația coeficientului de reflectivitate al întrerupătorului se bazeaza exclusiv pe variația indicelui de refratie complex al galiului, variație ce are loc la schimbarea stării de agregare a acestuia.

5) Un dispozitiv ca la punct 4 cu precizarea ca variația coeficientului de reflectivitate al întrerupătorului se bazeaza si pe variația grosimii statului de galiu, variație ce are loc la schimbarea stării de agregare a acestuia.

6) Un întrerupător ca la punctul 4 sau 5 cu precizarea ca schimbarea stării de agregare a galiului se poate realiza fie in mod direct, prin contact termic cu alte corpuri, fie in mod indirect pe cale electrica, prin efect Joule, sau pe cale optica, prin absorptia luminii in stratul de galiu si transformarea acesteia in energie termica.