RU111697U1

RU111697U1 - PHOTON MATRIX SWITCH

Info

Publication number: RU111697U1
Application number: RU2011136279/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Перепелицын; Юрий Константинович Пылаев
Original assignee: Юрий Николаевич Перепелицын
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2011-12-20

Abstract

Фотонный матричный переключатель, содержащий активный элемент в виде прямоугольного параллелепипеда, выполненный на основе электрооптического кристалла, содержащего электрическую неоднородность у поверхности освещаемой грани, а на грани, противоположной освещаемой, - слой туннельного диэлектрика, электроды, электрически связанные с источником питания, источник управляющих световых импульсов, два входных и два выходных порта, две призмы, оптически связанные с входными и выходными портами соответственно, одна из которых - входная - расположена перед, а другая - выходная - после активного элемента, при этом каждый входной порт содержит последовательно расположенные перед призмой по ходу управляемых световых импульсов микрообъектив и поляризатор, а каждый выходной порт - микрообъектив, расположенный после призмы, причем призмы, поляризаторы и микрообъективы образуют осецентрированную оптическую систему, главная ось которой оптически связана с неоднородностью и параллельна длинной грани активного элемента, отличающийся тем, что электрическая неоднородность выполнена в виде p и n слоев, образующих p-n переход, а на грань, содержащую неоднородность, нанесены просветляющее покрытие и диэлектрическое покрытие, охватывающее просветляющее покрытие и область неоднородности активного элемента, при этом поляризаторы выполнены в виде поляризационных призм, выходная призма выполнена двоякопреломляющей, в качестве материала активного элемента выбран n-CdTe. A photon matrix switch containing an active element in the form of a rectangular parallelepiped, made on the basis of an electro-optical crystal containing electrical inhomogeneity at the surface of the illuminated face, and on the side opposite to the illuminated one, a tunnel dielectric layer, electrodes electrically connected to a power source, a source of control light pulses , two input and two output ports, two prisms that are optically coupled to the input and output ports, respectively, one of which is the input - it is placed in front, and the other one, the output one, after the active element, with each input port containing a micro lens and a polarizer sequentially located in front of the prism along the controlled light pulses, and each output port containing a micro lens located after the prism, and the prisms, polarizers and micro lenses are centered optical system, the main axis of which is optically connected with the heterogeneity and parallel to the long face of the active element, characterized in that the electrical heterogeneity is made in the form of p and n layers that form the pn junction, and on the face containing the inhomogeneity, an antireflection coating and a dielectric coating are applied, covering the antireflection coating and the inhomogeneity region of the active element, while the polarizers are made in the form of polarizing prisms, the output prism is birefringent, as active element material selected n-CdTe.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области оптоэлектроники, конкретно, к фотонным устройствам коммутации, которые могут быть использованы в системах оптико-электронного обмена и обработки информации различного назначения, в линиях и сетях волоконно-оптической связи, а также в различных областях приборостроения.The proposed utility model relates to the field of optoelectronics, specifically, to photon switching devices that can be used in systems of optical-electronic exchange and processing of information for various purposes, in lines and networks of fiber-optic communication, as well as in various fields of instrumentation.

Общеизвестны две группы оптических пространственных матричных переключателей, с помощью которых в оптико-электронных системах информационного обмена и волоконно-оптических сетях связи осуществляется установление или разрыв взаимного соединения между коммутируемыми каналами или структурными элементами сетей связи. Независимо от принципов работы и физических явлений, обеспечивающих пространственное изменение координаты коммутируемого светового потока активным элементом оптического матричного переключателя (коммутатора), все оптические матричные переключатели делятся на две группы. К первой группе относятся полностью оптические или «прозрачные» коммутаторы, в которых изменение координаты коммутируемого светового потока и время сохранения соединения между коммутируемыми каналами определяется только характеристиками управляющего оптического сигнала, воздействующего на активный элемент коммутатора (в англоязычной литературе такие переключатели получили название «фотонные переключатели», или optical-optical-optical switches). Вторую группу переключателей составляют так называемые «гибридные» переключатели, где изменение координаты оптического пучка осуществляется посредством воздействия на активный элемент электрического, акустического, теплового и другого вида сигнала, кроме оптического. К числу таких переключателей относятся оптоэлектронные, электрооптические, акустооптические, механические переключатели на массивах из микрозеркал (технология MEMS), переключатели на фотонных и жидких кристаллах и другие (см. Оптические сети / Девид Гриндфилд - К.: ООО «ТИД «ДС», 2002. - 256 с.; Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы. 3-е изд. / Сборник статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. М.: Техносфера, 2010. - 608 с.).Two groups of optical spatial matrix switches are well known, with the help of which in optical-electronic information exchange systems and fiber-optic communication networks, the interconnection between switched channels or structural elements of communication networks is established or broken. Regardless of the operating principles and physical phenomena that provide a spatial change in the coordinate of the switched luminous flux by the active element of the optical matrix switch (commutator), all optical matrix switches are divided into two groups. The first group includes fully optical or “transparent” switches, in which the change in the coordinates of the switched luminous flux and the time to maintain the connection between the switched channels is determined only by the characteristics of the control optical signal acting on the active element of the switch (in the English literature such switches were called “photon switches” , or optical-optical-optical switches). The second group of switches is made up of the so-called “hybrid” switches, where the change in the coordinate of the optical beam is carried out by acting on the active element with an electric, acoustic, thermal, and other type of signal other than optical. These switches include optoelectronic, electro-optical, acousto-optical, mechanical switches on micromirror arrays (MEMS technology), switches on photonic and liquid crystals, and others (see Optical Networks / David Grindfield - K .: TID DS LLC, 2002 - 256 p .; Fiber-optic technology: current state and new perspectives, 3rd ed. / Collection of articles edited by Dmitriev S.A. and Slepov N.N.M .: Technosphere, 2010. - 608 p. )

Известен вариант реализации фотонного матричного переключателя, в котором установление соединения между двумя входными и двумя выходными портами происходит за счет пространственного преобразования координаты коммутируемого оптического сигнала при воздействии освещения (см. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы. М.: Соломон-Р, 2001. 237 с.).A known embodiment of a photon matrix switch in which a connection between two input and two output ports is established by spatial transformation of the coordinates of a switched optical signal when exposed to lighting (see. Sklyarov OK Modern fiber-optic transmission systems. Equipment and components. M.: Solomon -R, 2001.237 s.).

Данный переключатель представляет собой прямоугольную многослойную полупроводниковую структуру, нижний (толщиной 100 нм) и верхний (толщиной 399 нм), слои которой выполнены из соединения InP, а ее средний слой, толщиной 450 нм, выполнен из GaInAsP. Кроме того, на поверхности одной из граней многослойной структуры выполнены волноводные каналы, образующие направленный ответвитель Х-типа с шириной выступов, образующих волноводные каналы 1,5 мкм, а в ее среднем слое выполнена дифракционная решетка Брэгга (отражатель) с периодом решетки 232,5 нм. Длина всей структуры 5 мм, волноводной - 3 мм.This switch is a rectangular multilayer semiconductor structure, lower (100 nm thick) and upper (399 nm thick), the layers of which are made of InP compound, and its middle layer, 450 nm thick, is made of GaInAsP. In addition, on the surface of one of the faces of the multilayer structure, waveguide channels are made forming an X-type directional coupler with a width of protrusions forming waveguide channels of 1.5 μm, and a Bragg grating (reflector) with a grating period of 232.5 is made in its middle layer nm The length of the entire structure is 5 mm, and the waveguide is 3 mm.

Действие вышеописанного фотонного матричного переключателя - аналога основано на зависимости угла дифракции коммутируемого светового потока от его мощности, которая возникает вследствие нелинейного изменения показателя преломления материала решетки Брегга, что приводит при воздействии освещения к изменению периода решетки Брегга и, соответственно, к пространственному изменению координаты коммутируемого пучка света. При поступлении на первый входной порт оптического сигнала мощностью менее 5 мВт на длине волны 1550 нм оптический сигнал отражается дифракционной решеткой и поступает во второй входной порт. В тоже время, при мощности оптического сигнала, поступающего на вход первого порта, более 12 мВт воздействие оптического сигнала вызывает изменение периода дифракционной решетки Брэгга и, соответственно, коммутируемый световой поток переадресуется с первого входного порта во второй выходной порт. Аналогично реализуется переключение светового потока, поступающего на второй входной порт, в первый выходной порт.Время установления соединения и время разрыва соединения (время переключения) в таком переключателе лежит в наносекунд-ном диапазоне и составляет t_пер.~5÷20 нс.The action of the above-described photon matrix switch - analogue is based on the dependence of the diffraction angle of the switched light flux on its power, which occurs due to a nonlinear change in the refractive index of the Bragg grating material, which leads to a change in the Bragg grating period and, accordingly, to a spatial change in the coordinate of the switched beam Sveta. When an optical signal with a power of less than 5 mW at a wavelength of 1550 nm arrives at the first input port, the optical signal is reflected by the diffraction grating and enters the second input port. At the same time, when the power of the optical signal supplied to the input of the first port is more than 12 mW, the effect of the optical signal causes a change in the Bragg grating period and, accordingly, the switched luminous flux is redirected from the first input port to the second output port. The luminous flux delivered to the second input port to the first output port is similarly implemented. The connection establishment time and connection disconnection time (switching time) in such a switch lies in the nanosecond range and is t _per. ~ 5 ÷ 20 ns.

К числу основных недостатков данного фотонного матричного переключателя следует отнести: очень узкий рабочий спектральный диапазон, в пределах которого осуществляется переключение световых пучков, большие вносимые потери, а также ограниченные функциональные возможности по установлению новых динамических связей между входными и выходными портами переключателя при воздействии освещения, поскольку существует жесткая «привязка» коммутируемых каналов между собой.The main disadvantages of this photon matrix switch are: a very narrow operating spectral range within which the light beams are switched, large insertion loss, and limited functionality to establish new dynamic connections between the input and output ports of the switch when exposed to lighting, because There is a rigid “binding” of switched channels to each other.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является фотонный матричный переключатель емкостью 2×2 (см. Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol.537-26, pp.239-248, Optical Sciences Ctr./Univ. of Arizona, Tucson, AZ, USA), принятый за прототип.The closest to the claimed device in technical essence and the achieved positive effect is a 2 × 2 photonic matrix switch (see Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol. 537-26, pp. 239-248, Optical Sciences Ctr./Univ. Of Arizona, Tucson, AZ, USA), adopted as a prototype.

Данное устройство содержит активный элемент, представляющий собой неоднородную туннельную МДП структуру, созданную на основе электрооптического кристалла p-CdTe в виде прямоугольного параллепипеда, на одной из граней которого сформирована электрическая неоднородность в виде пир слоев, образующих на всей поверхности грани n-p переход, а на поверхности противоположной грани кристалла - слой туннельного диэлектрика, поверх которого нанесен металлический электрод. Помимо этого, фотонный матричный переключатель содержит оптическую систему, включающую в себя две светоделительные призмы, четыре микрообъектива и четыре поляризатора, расположенные в устройстве между светоделительными призмами и микрообъективами, которые используются в качестве входных и выходных портов оптического переключателя. При этом светоделительная призма, оптически связанная с входными портами переключателя, и светоделительная призма, оптически связанная с выходными портами, расположены симметрично относительно центра активного элемента таким образом, что в совокупности все элементы оптической системы образуют осецентрированную оптическую систему, в которой все элементы оптической системы оптически связаны между собой и n-p переходом активного элемента матричного переключателя.This device contains an active element, which is an inhomogeneous MIS tunnel structure, created on the basis of an electro-optical p-CdTe crystal in the form of a rectangular parallelepiped, on one of whose faces an electrical inhomogeneity is formed in the form of pir layers forming an np junction on the entire surface of the face, and on the surface the opposite face of the crystal is a layer of tunneling dielectric, on top of which a metal electrode is deposited. In addition, the photon matrix switch contains an optical system that includes two beam-splitting prisms, four micro-lenses and four polarizers located in the device between the beam-splitting prisms and micro-lenses, which are used as input and output ports of the optical switch. In this case, the beam splitting prism optically coupled to the input ports of the switch and the beam splitting prism optically coupled to the output ports are located symmetrically with respect to the center of the active element so that together all the elements of the optical system form a centered optical system in which all elements of the optical system are optically are interconnected and np by the transition of the active element of the matrix switch.

Действие фотонного матричного переключателя 2×2 - прототипа основано на эффекте пространственного перераспределения напряженности электрического поля в объеме туннельной МДП структуры при воздействии внешнего освещения. В отсутствии освещения импульсом управляющего света к электродам активного элемента прикладывается внешнее напряжение V₀, соответстующее напряжению обратного смещения n-p перехода, что приводит к формированию стационарного неоднородного распределения электрического поля в объеме полупроводникового кристалла. При этом величина V₀ выбирается такой, чтобы при поперечном электрооптическом эффекте и линейных размерах наиболее длинной грани параллелепипеда l, приложенное напряжение обеспечивало фазовый набег Г=π, т.е. V₀=V_λ/2, где V_λ/2 - полуволновое напряжение смещения для активного элемента (см. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970. 295 с.). В этом случае практически все электрическое поле локализуется в области объемного заряда (ООЗ) n-p перехода, а в остальной части кристалла его величина близка к нулю. Коммутируемые световые потоки, поступающие на первый и второй входные порты, формируются микрообъективами в виде узких пучков света и пропускаются через поляризаторы, оси поляризации которых исходно выставлены перпендикулярно друг-другу, и входную светоделительную призму, расположенную перед активным элементом устройства. Это приводит к объединению двух световых пучков в один, в котором световые потоки имеют взаимно-перпендикулярные оси поляризации P₁⊥P₂. Дальнейшее последовательное прохождение единого пучка света через ООЗ n-p перехода МДП структуры параллельно длиной грани электрооптического кристалла l, светоделительную призму, поляризаторы и микрообъективы, расположенные за активным элементом, приводит на выходе активного элемента к изменению состояния (повороту) осей поляризации на угол φ=90° в каждом из коммутируемых световых потоков и его разделению светоделительной призмой, расположенной за активным элементом, на два равных по мощности световых пучка, которые поступают на первый и второй выходные порты. Т.к. в отсутствии освещения импульсом управляющего света, при ортогональных осях поляризации входных поляризаторов P₁⊥P₂, в матричном переключателе установление взаимных связей между входными и выходными портами может происходить произвольно, то, например, исходно первый входной порт может быть соединен с первым выходным портом при P₁⊥P₂ а, соответственно, второй входной порт соединен со вторым выходным портом. Освещение управляющим импульсом света активного элемента переключателя приводит на время действия освещения к изменению в распределении напряженности электрического поля в объеме структуры. На время действия освещения напряженность электрического поля в ООЗ n-p перехода уменьшается практически до нуля и возрастает у электрода, противоположного освещаемому. Такое фотостимулированное пространственное изменение электрического поля в объеме структуры приводит к тому, что в течение времени освещения, которое определяется длительностью управляющего светового импульса, изменение осей поляризации в едином пучке света, распространяющегося через область ООЗ перехода структуры, не происходит. В результате в фотонном матричном переключателе за время перестройки электрического поля происходит установление новых связей между входными и выходными портами. В этом случае на время действия освещения в матричном переключателе первый входной порт оптически оказывается связан со вторым выходным потом, а второй входной порт - с первым выходным портом соответственно. После окончания действия управляющего импульса света восстановление исходных связей в матричном переключателе происходит самопроизвольно, за время возврата электрического поля в активном элементе к своему исходному «темновому» состоянию.The action of the 2 × 2 photon matrix prototype switch is based on the effect of spatial redistribution of the electric field strength in the volume of the tunnel MIS structure when exposed to external lighting. In the absence of illumination by the control light pulse, an external voltage V ₀ corresponding to the reverse bias voltage np of the junction is applied to the electrodes of the active element, which leads to the formation of a stationary inhomogeneous distribution of the electric field in the volume of the semiconductor crystal. In this case, the value of V ₀ is chosen such that, with the transverse electro-optical effect and the linear dimensions of the longest face of the parallelepiped l, the applied voltage provides a phase incursion Γ = π, i.e. V ₀ = V _{λ / 2} , where V _{λ / 2} is the half-wave bias voltage for the active element (see Mustel E.R., Parygin V.N. Methods of modulation and scanning of light. M: Nauka, 1970.295 s. ) In this case, almost the entire electric field is localized in the space charge region (SCR) of the np junction, and in the rest of the crystal its value is close to zero. The switched luminous fluxes arriving at the first and second input ports are formed by micro lenses in the form of narrow beams of light and passed through polarizers, the polarization axes of which were initially set perpendicular to each other, and an input beam-splitting prism located in front of the active element of the device. This leads to the union of two light beams into one, in which the light fluxes are mutually perpendicular to the axis of polarization P ₁ ⊥ P ₂ . Further sequential passage of a single light beam through the SCR np junction of the MIS structure parallel to the length of the face of the electro-optical crystal l, the beam-splitting prism, polarizers and micro-lenses located behind the active element, leads to a change in the state (rotation) of the polarization axes at an angle φ = 90 ° at the output of the active element in each of the switched luminous fluxes and its separation by a beam-splitting prism located behind the active element into two equal in power light beams that arrive at the first and second output ports. Because in the absence of illumination by the control light pulse, for orthogonal polarization axes of the input polarizers P ₁ ⊥ P ₂ , the interconnection between the input and output ports in the matrix switch can occur arbitrarily, for example, the first input port can be initially connected to the first output port at P ₁ ⊥ P ₂ and, accordingly, the second input port is connected to the second output port. Illumination by the control light pulse of the active element of the switch leads to a change in the distribution of electric field strength in the volume of the structure for the duration of the lighting. For the duration of the illumination, the electric field in the SCR np junction decreases almost to zero and increases at the electrode opposite to the illuminated one. Such a photostimulated spatial change in the electric field in the volume of the structure leads to the fact that during the illumination time, which is determined by the duration of the control light pulse, a change in the axes of polarization in a single beam of light propagating through the region of the SCR transition of the structure does not occur. As a result, during the adjustment of the electric field in the photon matrix switch, new connections between the input and output ports are established. In this case, for the duration of the lighting in the matrix switch, the first input port is optically connected to the second output port, and the second input port to the first output port, respectively. After the end of the action of the control pulse of light, the restoration of the initial bonds in the matrix switch occurs spontaneously, during the return of the electric field in the active element to its original "dark" state.

Таким образом, устройство - прототип обеспечивает динамическое установление и разрыв как прямых, так и перекрестных связей между любыми входными и выходными портами фотонного матричного переключателя при включении и выключении освещения. В то же время потери оптической мощности, вносимые данным устройством при установлении соединения между входными и выходными портами, достаточно велики и составляют η~11 дБ. Кроме того, данный фотонный матричный переключатель обладает недостаточно высоким быстродействием, которое по переднему и заднему фронту импульса в прототипе составляет t_пер.~1÷1,5 мкс.Thus, the prototype device provides the dynamic establishment and breaking of both direct and cross connections between any input and output ports of the photon matrix switch when lighting is turned on and off. At the same time, the optical power losses introduced by this device when establishing a connection between the input and output ports are quite large and amount to η ~ 11 dB. In addition, this photon matrix switch does not have a high enough speed, which along the leading and trailing edges of the pulse in the prototype is t _per. ~ 1 ÷ 1.5 μs.

В настоящее время увеличение скорости распределения и управления потоками передаваемых данных между структурными элементами оптико-электронных систем информационного обмена и волоконно-оптических сетей связи связывают с переходом от использования систем коммутации, функционирующих в режиме «коммутации каналов», к фотонным системам коммутации, функционирующим в режиме «коммутации пакетов». При таком режиме коммутации фракционирование коммутационных сетей большой емкости реализуется за счет соблюдения двух основных принципов. Во-первых, установление взаимного соединения между любым входным и выходным портами коммутирующего устройства большой емкости (коммутационной сети) происходит за счет динамической реконфигурации связей внутри каскадов коммутационной сети, которая происходит только во время воздействия управляющего оптического сигнала (оптическое управление состоянием коммутационного поля). Во-вторых, время установления взаимных связей между коммутируемым входным и выходным портами определяется лишь временной длинной передаваемого пакета данных. Реализация коммутационных матриц или сетей большой емкости, функционирующих на основе двух указанных выше принципов, дает возможность обеспечить быструю передачу потоков данных между любыми входными и выходными портами коммутационной сети даже в случае одновременного поступления пакетов данных на все входные порты коммутируемого устройства.Currently, the increase in the speed of distribution and control of the streams of transmitted data between the structural elements of optoelectronic information exchange systems and fiber-optic communication networks is associated with the transition from the use of switching systems operating in the "channel switching" mode to photonic switching systems operating in the mode "Packet switching." With this switching mode, the fractionation of high-capacity switching networks is realized by observing two basic principles. Firstly, the establishment of a mutual connection between any input and output ports of a large-capacity switching device (switching network) occurs due to the dynamic reconfiguration of communications inside the cascades of the switching network, which occurs only during the action of the control optical signal (optical control of the state of the switching field). Secondly, the time to establish mutual relations between the switched input and output ports is determined only by the time length of the transmitted data packet. The implementation of switching matrices or high-capacity networks, operating on the basis of the two above principles, makes it possible to ensure the fast transfer of data streams between any input and output ports of a switching network even in the case of simultaneous data packets arriving at all input ports of a switched device.

В то же время для создания коммутационных сетей, функционирующих в режиме коммутации пакетов, необходимы быстрые фотонные матричные переключатели, способные при включении и выключении управляющего оптического сигнала обеспечить установление и разрыв соединения между любыми входными и выходными портами матричного переключателя за время, меньшее чем время прохождения передавемого пакета через фотонный матричный переключатель. (Для различных оптико-электронных систем это время может различаться. Так, например, при передаче потока данных со скоростью 10 Гбит/с время установления и время разрыва соединения фотонным матричным переключателем не должно превышать ~42 нс). Помимо этого другой важной характеристикой фотонного матричного переключателя является величина потерь оптической мощности, вносимых в волоконно-оптический тракт матричным переключателем, которая определяет емкость фотонной коммутационной сети (см. Оптические сети / Девид Гриндфилд - К.: ООО «ТИД «ДС», 2002. - 256 с. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы. 3-е изд. / Сборник статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. М.: Техносфера, 2010 - 608 с.).At the same time, to create switching networks operating in the packet switching mode, fast photonic matrix switches are required that, when the control optical signal is turned on and off, can establish and break the connection between any input and output ports of the matrix switch in a time shorter than the transmission time packet through a photonic matrix switch. (For different optoelectronic systems, this time may vary. So, for example, when transmitting a data stream at a speed of 10 Gbit / s, the establishment time and time for disconnecting the connection by a photon matrix switch should not exceed ~ 42 ns). In addition, another important characteristic of the photon matrix switch is the amount of optical power loss introduced into the fiber optic path by the matrix switch, which determines the capacity of the photon switching network (see Optical Networks / David Grindfield - K .: LLC TID DS, 2002. - 256 pp. Fiber-optic technology: current state and new perspectives, 3rd ed. / Collection of articles edited by Dmitriev S.A. and Slepov N.N.M .: Technosphere, 2010 - 608 pp.).

Полезная модель направлена на решение задачи создания фотонного матричного переключателя с улучшенными характеристиками соединения, обеспечивающего передачу данных в режиме коммутации пакетов между коммутируемыми каналами.The utility model is aimed at solving the problem of creating a photon matrix switch with improved connection characteristics, providing data transmission in packet switching mode between switched channels.

Технический результат заключается в уменьшении времени установления и разрыва соединения фотонным матричным переключателем при включении и выключении управляющего освещения (повышение быстродействия), а также в снижении потерь оптической мощности, вносимых фотонным переключателем при установлении пространственного соединения между коммутируемыми каналами.The technical result consists in reducing the time of establishing and breaking the connection by the photon matrix switch when turning on and off the control light (increasing speed), as well as in reducing the optical power losses introduced by the photon switch when establishing a spatial connection between switched channels.

Указанный технический результат достигается тем, что фотонный матричный переключатель содержит активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда на основе электрооптического кристалла с электронным типом проводимости, содержащий у поверхности освещаемой грани неоднородность в виде p и n слоев, образующих p-n переход, например, на основе электрооптического кристалла CdTe с электронным типом проводимости, и электрод отрицательной полярности, а на противоположной грани - слой туннельного диэлектрика, поверх которого выполнен металлический электрод положительной полярности, источник питания, электрически связанный с электродами, источник управляющих световых импульсов, оптически связанный с гранью структуры, содержащей p-n переход (или неоднородность), а также входную призму типа axicon и выходную двоякопреломляющую призму, первая из которых расположена перед, а другая после активного элемента, оптически связанные с входными и выходными портами соответственно, каждая из которых также попарно оптически связана с соответствующими входными и выходными микрообъективами и поляризаторами, расположенными между каждой из призм и микрообъективом. При этом входная и выходная призмы расположены симметрично относительно центра активного элемента, причем призмы, поляризаторы и микрообъективы образуют осецентрированную оптическую систему, все элементы которой оптически связаны между собой, а ее главная ось оптически связана с p-n переходом активного элемента и параллельна длинной грани, содержащей p-n переход. На грань активного элемента, содержащую n-p переход нанесено просветляющее покрытие, поверх которого выполнено диэлектрическое покрытие в виде замкнутого контура, охватывающего просветляющее покрытие и область объемного заряда p-n перехода, а поляризаторы выполнены в виде поляризационных призм.The specified technical result is achieved in that the photon matrix switch contains an active element made in the form of a rectangular parallelepiped based on an electro-optical crystal with an electronic type of conductivity, containing at the surface of the illuminated face an inhomogeneity in the form of p and n layers forming a pn junction, for example, based on an electro-optical a CdTe crystal with an electronic type of conductivity, and an electrode of negative polarity, and on the opposite side there is a tunneling dielectric layer over which nen metal electrode of positive polarity, a power source electrically connected to the electrodes, a source of control light pulses, optically coupled to the face of the structure containing the pn junction (or heterogeneity), as well as an input prism of the axicon type and an output birefringent prism, the first of which is located in front of and the other after the active element, optically coupled to the input and output ports, respectively, each of which is also optically coupled in pairs with the corresponding input and output micro bektivami and polarizers disposed between each of the prisms and microlens. In this case, the input and output prisms are located symmetrically with respect to the center of the active element, and the prisms, polarizers, and micro lenses form a centered optical system, all of whose elements are optically connected to each other, and its main axis is optically connected to the pn junction of the active element and is parallel to a long face containing pn transition. An antireflection coating is applied to the face of the active element containing the n-p junction, over which a dielectric coating is made in the form of a closed loop covering the antireflection coating and the space charge region of the p-n junction, and the polarizers are made in the form of polarizing prisms.

Причем поляризаторы во входных портах могут быть выставлены с противоположной или с одинаковой ориентацией осей поляризации.Moreover, the polarizers in the input ports can be set with the opposite or the same orientation of the polarization axes.

Сущность предлагаемого технического решения основана на эффекте пространственного перераспределения электрического поля, возникающего в объеме туннельных МДП структур под действие освещения (см. Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol.537-26, pp.239-248, Optical Sciences Ctr. / Univ. of Arizona, Tucson, AZ, USA).The essence of the proposed technical solution is based on the effect of spatial redistribution of the electric field arising in the volume of tunnel MIS structures under the influence of illumination (see Perepelitsyn Yu. N. Optical logic elements for digital computing systems, SPIE Proceedings: Novel Optical Systems Design and Optimization, 1995, Vol .537-26, pp. 239-248, Optical Sciences Ctr. / Univ. Of Arizona, Tucson, AZ, USA).

Одним из существенных признаков заявляемого устройства является выполнение активного элемента на основе высокоомного полупроводника n-типа проводимости, содержащего малые концентрации примесных уровней. Использование полупроводникового кристалла n-типа проводимости необходимо потому, что фотоэлектрические свойства туннельных МДП структур, создаваемых на основе высокоомных полупроводников (структуры с фоточувствительным распределением электрического поля), существенно отличаются от других типов фоточувствительных структур. В частности, в условиях внешнего приложенного напряжения V₀ и освещения структуры результирующее распределение электрического поля E_Σ(x) в объеме такой структуры складывается из распределения электрического поля, создаваемого в ней внешним источником напряжения E₁(x), и поля E₂(x), создаваемого фотоиндуцированным объемным зарядом, появляющимся в ее объеме при воздействии освещения. В неоднородной структуре, при отсутствии освещения, приложение обратного смещения к активному элементу переключателя приводит к локализации электрического поля в ООЗ p-n перехода структуры, а в остальной части структуры его величина близка к нулю, то есть профиль распределения электрического поля E₁(x) определяется внешним источником напряжения и конструкцией структуры.One of the essential features of the claimed device is the implementation of the active element based on a high-resistance semiconductor of n-type conductivity, containing low concentrations of impurity levels. The use of an n-type semiconductor crystal is necessary because the photoelectric properties of tunneling MIS structures created on the basis of high-resistance semiconductors (structures with a photosensitive distribution of the electric field) differ significantly from other types of photosensitive structures. In particular, under the conditions of external applied voltage V ₀ and illumination of the structure, the resulting distribution of the electric field E _Σ (x) in the volume of such a structure is composed of the distribution of the electric field created in it by the external voltage source E ₁ (x) and the field E ₂ (x ) created by the photoinduced space charge appearing in its volume when exposed to lighting. In an inhomogeneous structure, in the absence of illumination, the application of a reverse bias to the active element of the switch leads to localization of the electric field in the SCR pn of the transition of the structure, and in the rest of the structure its value is close to zero, i.e., the distribution profile of the electric field E ₁ (x) is determined by the external voltage source and structure design.

В то же время ее освещение со стороны p-n перехода светом с энергией квантов hv≥E_g, где hv - энергия кванта, E_g - ширина запрещенной зоны материала кристалла активного элемента, приводит к генерации электронно-дырочных пар и их разделению под действием сильного электрического поля в ООЗ n-p перехода. При этом один тип носителей (дырки) покидает структуру через электрод с отрицательной полярностью, а второй тип носителей (электроны), дрейфуя через базовую область кристалла, накапливается у поверхности туннельно-тонкого диэлектрического слоя. В условиях постоянного приложенного смещения появление и накопление монополярного заряда свободных фотоносителей (электронов) на границе раздела полупроводник - туннельно-тонкий диэлектрический слой приводит к перераспределению напряженности электрического поля в объеме полупроводниковой компоненты активного элемента. На время действия освещения напряженность поля в ООЗ p-n перехода резко падает, возрастая в приконтактной области неосвещаемого электрода структуры, содержащего туннельно-тонкий диэлектрический слой. При этом полный «сброс» поля из ООЗ p-n перехода структуры происходит после того, как в условиях постоянно приложенного напряжения падение напряжения на слое фотогенерированного заряда, накапливаемого на границе раздела полупроводник - туннельный диэлектрик, превысит напряжение на слое p-n перехода, т.е. результирующий профиль распределения электрического поля в структуре E_Σ(x) полностью определяется фотоиндуцированным зарядом, появляющимся в структуре только на время действия освещения. Как показал теоретический анализ процессов, касающихся механизма переключения поля в структурах такого типа, к числу основных факторов, которые определяют время перестройки электрического поля при включении и выключении освещения (время переключения активного элемента), относятся: тип фотоносителей заряда, переключающих поле, и величина их подвижности при насыщении дрейфовой скорости, а также расстояние между контактами структуры, которые связаны соотношением (см. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. - М., Мир, 1973):At the same time, its illumination from the side of the pn transition with light with quantum energy hv≥E _g , where hv is the quantum energy, E _g is the band gap of the crystal of the active element crystal, leads to the generation of electron-hole pairs and their separation under the action of a strong electric Fields in OOP np transition. In this case, one type of charge carrier (hole) leaves the structure through an electrode with negative polarity, and the second type of charge carrier (electrons), drifting through the base region of the crystal, accumulates at the surface of the tunnel-thin dielectric layer. Under conditions of constant applied bias, the appearance and accumulation of a monopolar charge of free photocarriers (electrons) at the semiconductor – tunnel-thin dielectric layer boundary leads to a redistribution of the electric field strength in the volume of the semiconductor component of the active element. During the duration of the illumination, the field strength in the SCR pn junction drops sharply, increasing in the near-contact region of the unlit electrode of the structure containing a tunnel-thin dielectric layer. In this case, a complete “discharge” of the field from the SCR of the pn junction of the structure occurs after the voltage drop at the layer of the photogenerated charge accumulated at the semiconductor – tunneling insulator interface exceeds the voltage at the pn junction, i.e. the resulting distribution profile of the electric field in the structure E _Σ (x) is completely determined by the photoinduced charge that appears in the structure only for the duration of the illumination. As shown by a theoretical analysis of the processes related to the field switching mechanism in structures of this type, the main factors that determine the time of adjustment of the electric field when lighting is turned on and off (active element switching time) include: the type of charge carriers that switch the field and their magnitude mobility during saturation of the drift velocity, as well as the distance between the contacts of the structure, which are related by the relation (see Lampert M., Mark P. Injection currents in solids. - M., Mir, 1973):

где L - расстояние между контактами, µ - подвижность носителей, V₀ - величина приложенного напряжения. Поскольку величина подвижности свободных фотоносителей полупроводника для разных типов проводимости существенно различается, то для повышения быстродействия существенно важно использовать высокоомный полупроводник n-типа проводимости, где переключение поля происходит за счет основных носителей заряда, подвижность которых µ_n превышает более чем в десять раз подвижность неосновных носителей µ_p. (В частности, в n-CdTe, подвижность основных носителей (электронов) при насыщении дрейфовой скорости достигает µ_n~1000 см²/B×c, а, подвижность неосновных носителей (дырок) составляет, соответственно, µ_p~80-100 см²/В×c). Вместе с тем изменение типа проводимости свободных носителей, за счет которых переключается поле, хотя и позволяет достигнуть положительного эффекта - увеличить быстродействие активного элемента по сравнению с прототипом, тем не менее, максимальное быстродействие может быть достигнуто лишь в том случае, если величина приложенного напряжения обеспечивает в высокоомной компоненте структуры напряженность внутреннего поля, соответствующую насыщению дрейфовой скорости основных носителей. Как следствие, в таких структурах это приводит к следующему:where L is the distance between the contacts, µ is the carrier mobility, V ₀ is the magnitude of the applied voltage. Since the mobility of free semiconductor photocarriers for different types of conductivity varies significantly, it is essential to increase the speed by using a high-resistance n-type semiconductor, where the field switching is due to the main charge carriers, the mobility of which µ _n exceeds more than ten times the mobility of minority carriers µ _p . (In particular, in n-CdTe, the mobility of the main carriers (electrons) when the drift velocity is saturated reaches µ _n ~ 1000 cm ² / B × c, while the mobility of minority carriers (holes) is, respectively, µ _p ~ 80-100 cm ² / V × c). At the same time, a change in the type of conductivity of free carriers, due to which the field is switched, although it allows to achieve a positive effect — to increase the speed of the active element in comparison with the prototype, however, the maximum speed can be achieved only if the value of the applied voltage provides in the high-resistance component of the structure, the internal field strength corresponding to the saturation of the drift velocity of the main carriers. As a result, in such structures this leads to the following:

- во-первых, амбиполярная длина дрейфа инжектированных фотоносителей носителей минимальна, что позволяет обеспечить перенос монополярного фотогенерированного заряда через всю область базы;- firstly, the ambipolar drift length of the injected carrier media is minimal, which allows for the transfer of a monopolar photogenerated charge through the entire base region;

- во-вторых, перенос заряда происходит лишь за счет дрейфового механизма переноса заряда, при котором скорость основных носителей является максимальной и практически постоянной на всей длине дрейфа;- secondly, charge transfer occurs only due to the drift mechanism of charge transfer, in which the speed of the main carriers is maximum and almost constant over the entire length of the drift;

- в-третьих, при переносе фотогенерированных носителей через область базы, захвата носителей на примесные уровни практически не происходит, так как при таких скоростях медленные процессы захвата носителей на примесные уровни и их выброс в зону проводимости не успевают происходить. Как следствие, это не приводит к образованию долговременного объемного поляризационного заряда в структуре, образование и выброс которого при включении и выключении освещения ведет к нарушению линейной зависимости между величиной фототока (напряженностью электрического поля) и интенсивностью воздействующего освещения и, как следствие, к искажению формы коммутируемого импульса.- thirdly, during the transfer of photogenerated carriers through the base region, carrier capture to impurity levels practically does not occur, since at such speeds the slow carrier capture processes to impurity levels and their release into the conduction band do not have time to occur. As a result, this does not lead to the formation of a long-term volume polarization charge in the structure, the formation and ejection of which when the lighting is turned on and off leads to a violation of the linear relationship between the photocurrent value (electric field strength) and the intensity of the acting illumination and, as a result, to distortion of the shape of the switched momentum.

Соответственно, совокупное действие этих факторов позволяет обеспечить минимально возможное время переключения электрического поля в активном элементе при включении освещения. Однако выполнение последнего условия, то есть насыщение дрейфовой скорости носителей, ведет к ограничению расстоянию между контактами, поскольку данное условие выполняется лишь в слое высокоомного полупроводника, толщина которого не превышает длину дрейфа носителей L_E=µ_n((E(x,t))×τ_n×Е_нас, где: L_E - длина дрейфа основных носителей, µ_n(E(x,t)) - подвижность основных носителей, τ_n - время жизни основных носителей, Е_нас - напряженность внутреннего поля, при которой происходит насыщение дрейфовой скорости в высокоомной компоненте структуры (для CdTe, при µ_n~1000 см²/B×c, τ_n~10^-7 c, Е_нас.~1,1-1,3×10⁴ В/см, теоретически возможная длина дрейфа L_E~11-13 мм). В реальных структурах эта величина несколько меньше и составляет 8-10 мм, что определяет максимально возможную толщину структуры (расстояние между контактами), которая может использоваться в качестве активного элемента. С другой стороны, в пределах данного расстояния между контактами это позволяет через выбор толщины высокоомного слоя структуры создавать активный элемент с определенным временем переключения поля (быстродействием).Accordingly, the combined effect of these factors allows us to provide the shortest possible time of switching the electric field in the active element when the lighting is turned on. However, the fulfillment of the latter condition, i.e., saturation of the carrier drift velocity, limits the distance between the contacts, since this condition is satisfied only in a high-resistance semiconductor layer whose thickness does not exceed the carrier drift length L _E = μ _n ((E (x, t)) × τ _n × E _us , where: L _E is the length of the drift of the main carriers, µ _n (E (x, t)) is the mobility of the main carriers, τ _n is the lifetime of the main carriers, E _us is the internal field strength at which drift velocity saturation in the high-impedance component of the structure (for CdT e, at µ _n ~ 1000 cm ² / B × c, τ _n ~ 10 ^-7 s, E _us. ~ 1.1-1.3 × 10 ⁴ V / cm, theoretically possible drift length L _E ~ 11-13 mm). In real structures, this value is somewhat smaller and amounts to 8-10 mm, which determines the maximum possible thickness of the structure (the distance between the contacts), which can be used as an active element. On the other hand, within the given distance between the contacts this allows the choice of the thickness of the high-resistance layer of the structure to create an active element with a certain field switching time (speed).

Вместе с тем изменение типа проводимости и обеспечение насыщения дрейфовой скорости основных носителей недостаточно для решения поставленной задачи, так как быстродействие фотонного переключателя определяется не только временем переключения поля при включении управляющего освещения, но и временем возврата электрического поля к исходному состоянию после выключения освещения, что определяет длительность заднего фронта импульса. В структурах такого типа после выключения управляющего освещения длительность заднего фронта импульса определяется временем самопроизвольного отекания заряда, накапливаемого у неосвещаемого электрода, во внешнюю цепь. Это время, главным образом, определяется толщиной слоя туннельного диэлектрика, линейное уменьшение толщины которого приводит к практически линейному уменьшению времени отекания заряда в условиях сильного поля. Как показали экспериментальные исследования, в условиях сильных полей, обеспечивающих в структуре насыщение дрейфовой скорости, толщина слоя туннельного диэлектрика, при котором отекание накопленного заряда происходит за единицы и десятки наносекунд, составляет d~1÷5 нм. В то же время уменьшение толщины диэлектрического слоя сопровождается увеличением его прозрачности и, как следствие, уменьшением концентрации свободных носителей, накапливаемых на границе раздела полупроводник - туннельный диэлектрик. Так как при освещении полное переключение электрического поля из ООЗ p-n перехода в базу кристалла происходит при определенной величине заряда, накапливаемого на границе раздела, то, как следствие, это приводит к увеличению мощности управляющего светового импульса, при которой обеспечивается уменьшение поля в области p-n перехода до значений, близких к нулю. Одним из вариантов снижения мощности управляющего светового импульса является нанесение просветляющего покрытия на поверхность грани структуры, содержащей n-p переход. Его создание существенно важно, потому что при освещении пучком управляющего света от грани структуры, содержащей p-n переход, отражается ~30÷40%. Соответственно, нанесение просветляющего покрытия дает возможность устранить френелевские потери (потери на отражение) и обеспечить преобразование всего управляющего освещения в фототек, и тем самым осуществить переключение поля управляющим светом практически без увеличения его мощности. В качестве такого покрытия может быть использовано многослойное покрытие, состоящее из нескольких слоев нитрида кремния, с толщиной слоя, составляющего четверть длины волны управляющего света.At the same time, changing the conductivity type and ensuring the saturation of the drift velocity of the main carriers is not enough to solve the problem, since the speed of the photon switch is determined not only by the time the field switches when the control light is turned on, but also by the time the electric field returns to its original state after the light is turned off, which determines the duration of the trailing edge of the pulse. In structures of this type, after the control lighting is turned off, the duration of the trailing edge of the pulse is determined by the time of spontaneous flowing of the charge accumulated by the non-illuminated electrode into the external circuit. This time is mainly determined by the thickness of the tunneling dielectric layer, a linear decrease in the thickness of which leads to an almost linear decrease in the charge sweeping time in a strong field. As shown by experimental studies, in strong fields, which ensure saturation of the drift velocity in the structure, the thickness of the tunneling dielectric layer, at which the accumulated charge is flowing out in a few tens of nanoseconds, is d ~ 1 ÷ 5 nm. At the same time, a decrease in the thickness of the dielectric layer is accompanied by an increase in its transparency and, as a consequence, a decrease in the concentration of free carriers accumulated at the semiconductor – tunneling dielectric interface. Since, under illumination, the complete switching of the electric field from the SCR of the pn junction to the base of the crystal occurs at a certain amount of charge accumulated at the interface, this leads to an increase in the power of the control light pulse, which ensures a decrease in the field in the pn junction region to values close to zero. One of the options for reducing the power of the control light pulse is the application of an antireflection coating on the surface of the face of the structure containing the n-p junction. Its creation is essential, because when illuminated by a beam of control light, ~ 30–40% is reflected from the edge of the structure containing the pn junction. Accordingly, the application of an antireflection coating makes it possible to eliminate Fresnel losses (reflection losses) and to ensure the conversion of all control lighting into a photo library, and thereby switch the field with control light with virtually no increase in its power. As such a coating, a multilayer coating can be used, consisting of several layers of silicon nitride, with a layer thickness of a quarter of the wavelength of the control light.

Еще одним существенным признаком заявляемого устройства является диэлектрическое покрытие шириной ~100÷150 мкм, выполненное по периметру освещаемой поверхности активного элемента, которое охватывает оптически прозрачный металлический отрицательный электрод и просветляющее покрытие. Необходимость его выполнения обусловлена двумя факторами: во-первых, уменьшением толщины активного элемента, поскольку при воздействии освещения необходимое время переключения поля может быть достигнуто лишь при определенном расстоянии между контактами, и во-вторых, величиной прикладываемого напряжения V₀, поскольку его величина должна обеспечить величину напряженности электрического поля в ООЗ обратно смещенного p-n перехода, достаточную для того, чтобы при пропускании через эту область у линейно-поляризованных коммутируемых световых потоков происходил фазовый набег Г=π. Совокупное действие этих факторов ведет к тому, что при работе устройства в условиях приложенного высокого напряжения к активному элементу, при поглощении управляющего света, на освещаемой грани активного элемента появляются значительные поверхностные токи утечки, которые могут вызвать пробой активного элемента по поверхности любой из четырех ее граней. Соответственно, выполнение диэлектрического покрытия на поверхности указанной грани, охватывающего по периметру просветляющее покрытие и область электрической неоднородности активного элемента, дает возможность реализовать «электрическую развязку» между гранями активного элемента, содержащими металлические электроды, и тем самым исключить возможность электрического пробоя структуры.Another significant feature of the claimed device is a dielectric coating with a width of ~ 100 ÷ 150 μm, made along the perimeter of the illuminated surface of the active element, which covers an optically transparent negative metal electrode and an antireflective coating. The need for its implementation is due to two factors: firstly, a decrease in the thickness of the active element, since under the influence of illumination the necessary time for switching the field can be achieved only at a certain distance between the contacts, and secondly, the value of the applied voltage V ₀ , since its value should provide the magnitude of the electric field in the OOZ reverse biased pn junction, sufficient to ensure that when passing through this region for linearly polarized switched lights Of the flows, a phase incursion Γ = π occurred. The combined effect of these factors leads to the fact that when the device is operating under the applied high voltage to the active element, when the control light is absorbed, significant surface leakage currents appear on the illuminated face of the active element, which can cause breakdown of the active element on the surface of any of its four faces . Accordingly, the implementation of a dielectric coating on the surface of the specified face, covering the perimeter of the antireflection coating and the region of electrical heterogeneity of the active element, makes it possible to realize "electrical isolation" between the faces of the active element containing metal electrodes, and thereby eliminate the possibility of electrical breakdown of the structure.

На момент подачи заявки авторам неизвестен фотонный матричный переключатель, в котором для оптической коммутации световых потоков или дискретных оптических импульсов использовались активный элемент и оптическая схема фотонного переключателя с заявляемой совокупностью существенных признаков, обеспечивающих оптически не только динамическую перестройку оптических связей между входными и выходными портами фотонного матричного переключателя, но и малые вносимые потери.At the time of application, the authors did not know the photon matrix switch, in which for the optical switching of light fluxes or discrete optical pulses, the active element and the optical scheme of the photon switch with the claimed combination of essential features were used that provide optical not only dynamic rearrangement of the optical connections between the input and output ports of the photonic matrix switch, but also small insertion loss.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом решении критерия «изобретательский уровень».The foregoing allows us to conclude that there is a criterion of "inventive step" in the claimed solution.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена оптическая схема заявляемого фотонного матричного переключателя, реализующая в отсутствии управляющих оптических импульсов прямые оптические связи между входным и выходным 1N↔1M и 2N↔2M портами переключателя при поступлении в один и тот же момент времени на активный элемент переключателя соответственно:The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows an optical diagram of the inventive photon matrix switch, which implements direct optical communications between the input and output 1N↔1M and 2N↔2M switch ports in the absence of control optical pulses upon arrival at the same time active switch element, respectively:

- прямоугольных оптических импульсов, имеющих одинаковую длительность τ, различную амплитуду и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S; пакетов прямоугольных оптических импульсов равной длительности t, сформированных из оптических импульсов различной длительности т и имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S;- rectangular optical pulses having the same duration τ, different amplitudes and mutually perpendicular polarization axes P, S; packets of rectangular optical pulses of equal duration t, formed from optical pulses of various durations m and having mutually perpendicular polarization axes P, S;

- периодических оптических импульсов, имеющих различную длительность т и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S.- periodic optical pulses having different durations m and mutually perpendicular to the polarization axis P, S.

На фиг.2 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности, имеющих различную амплитуду и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S, поступающих с входных 1N и 2N портов на активный элемент фотонного переключателя (см. фиг.1, позиция 13 (τ₁, , S), позиция 20 (τ₁, , P).Figure 2 presents a photograph of rectangular optical pulses of the same duration, having different amplitudes and mutually perpendicular to the axis of polarization P, S, coming from the input 1N and 2N ports to the active element of the photon switch (see figure 1, position 13 (τ ₁ , , S), position 20 (τ ₁ , , P).

На фиг.3 представлена фотография пакетов прямоугольных оптических импульсов равной длительности t, сформированных из оптических импульсов различной длительности τ, имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S, поступающих с входных 1N и 2N портов на активный элемент фотонного переключателя (см. фиг.1, позиция 14 (τ₂, t₁, S), позиция 21 (τ₃, t₁, P)).Figure 3 presents a photograph of packets of rectangular optical pulses of equal duration t, formed from optical pulses of various durations τ, having mutually perpendicular polarization axes P, S, coming from the input 1N and 2N ports to the active element of the photon switch (see Fig. 1, position 14 (τ ₂ , t ₁ , S), position 21 (τ ₃ , t ₁ , P)).

На фиг.4 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов различной длительности τ, имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S, периодически поступающих с входных 1N и 2N портов на активный элемент переключателя (см. фиг.1 позиция 15 (τ₂, S), позиция 22 (τ₃, P)).Figure 4 presents a photograph of rectangular optical pulses of various durations τ, having mutually perpendicular polarization axes P, S, periodically coming from the input 1N and 2N ports to the active switch element (see figure 1, position 15 (τ ₂ , S), position 22 (τ ₃ , P)).

На фиг.5 представлена оптическая схема фотонного матричного переключателя, реализующая перекрестные оптические связи между 1N↔1M и 2N↔2M входными и выходными портами переключателя при освещении управляющими оптическими импульсами различной частоты v и длительности T и поступлении в один и тот же момент времени на активный элемент переключателя соответственно: прямоугольных оптических импульсов, имеющих одинаковую длительность τ, различную амплитуду и взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S; пакетов прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности t, сформированных из оптических импульсов различной длительности τ и имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S; периодических оптических импульсов различной длительности τ, имеющих взаимно перпендикулярные оси поляризации P, S.Figure 5 presents the optical scheme of the photon matrix switch, which implements cross-optical communications between the 1N↔1M and 2N↔2M input and output ports of the switch when illuminated by control optical pulses of different frequencies v and duration T and when the active time arrives at the same time switch element, respectively: rectangular optical pulses having the same duration τ, different amplitude and mutually perpendicular to the axis of polarization P, S; packets of rectangular optical pulses of the same duration t formed from optical pulses of different durations τ and having mutually perpendicular polarization axes P, S; periodic optical pulses of various durations τ having mutually perpendicular polarization axes P, S.

На фиг.6 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности τ и различной амплитуды, зарегистрированные на выходе портов 1М и 2М переключателя при освещении активного элемента переключателя управляющим оптическим импульсом длительностью Т, равной длительности коммутируемых оптических импульсов (см. фиг.5, позиция 44 (τ₁, , P, T₁>τ₁), позиция 48 (τ₁, , S, T₁>τ₁)).Figure 6 shows a photograph of rectangular optical pulses of the same duration τ and different amplitudes recorded at the output of the switch ports 1M and 2M when the active element of the switch is illuminated by a control optical pulse of duration T equal to the duration of the switched optical pulses (see Fig. 5, position 44 ( τ ₁ , , P, T ₁ > τ ₁ ), position 48 (τ ₁ , , S, T ₁ > τ ₁ )).

На фиг.7 представлена фотография пакетов прямоугольных оптических импульсов одинаковой длительности t, зарегистрированных на выходе 1М и 2М портов переключателя при освещении активного элемента управляющими оптическими импульсами, длительность которых равна длительности пакетов (см. фиг.5, позиция 45 (τ₃, P, Т₂>t₁), позиция 49 (τ₂, S, T₂>t₁)).Figure 7 shows a photograph of packets of rectangular optical pulses of the same duration t registered at the output of the 1M and 2M switch ports when the active element is illuminated by control optical pulses, the duration of which is equal to the duration of the packets (see Fig. 5, position 45 (τ ₃ , P, T ₂ > t ₁ ), position 49 (τ ₂ , S, T ₂ > t ₁ )).

На фиг.8 представлена фотография прямоугольных оптических импульсов различной длительности, зарегистрированных на выходе 1М и 2М портов переключателя при освещении активного элемента управляющими оптическими импульсами T₃, длительностью τ₂, период ∧ поступления на активный элемент которых в два раза больше периода следования импульсов, подаваемых с 1N и 2N входных портов (см. фиг.5, позиция 46 (τ₂, P, T₃>τ₂=0), позиция 50 (r₃, P, T₃>τ₃≠0)).Fig. 8 shows a photograph of rectangular optical pulses of various durations registered at the output of the switch ports 1M and 2M when the active element is illuminated by control optical pulses T ₃ , duration τ ₂ , the period ∧ of which the active element arrives is twice the pulse repetition period with 1N and 2N input ports (see Fig. 5, position 46 (τ ₂ , P, T ₃ > τ ₂ = 0), position 50 (r ₃ , P, T ₃ > τ ₃ ≠ 0)).

На фиг.9 представлена оптическая схема фотонного матричного переключателя, реализующая при воздействии управляющим световым импульсом оптическую связь между входными 1N и 2N и одним из выходных 1М портов фотонного переключателя 1N↔1M и 2N↔1М (режим «сборка») при поступлении на активный элемент в различные моменты времени периодических оптических импульсов с параллельными осями поляризации S||P.Figure 9 shows the optical scheme of the photon matrix switch that implements, when exposed to a control light pulse, an optical connection between the input 1N and 2N and one of the output 1M ports of the photon switch 1N переключ1M and 2N при1M (“assembly” mode) upon receipt of the active element at various time instants of periodic optical pulses with parallel polarization axes S || P.

На фиг.10 представлена фотография периодических оптических импульсов, поступающих на выходной порт 1М фотонного переключателя при поступлении с входных портов 1N и 2N в различные моменты времени периодических оптических импульсов различной длительности, имеющих параллельные оси поляризации S||P и при освещении импульсом управляющего света длительностью T (см. фиг.9, позиция 58 (τ₅, P), позиция - 59 (τ₄, P), позиция 56)); На фиг.11 представлена оптическая схема фотонного матричного переключателя, реализующая оптическую связь между входным 2N и выходными 1М, 2M портами (режим ветвления), при поступлении с входного порта 2N на активный элемент периодических оптических импульсов и освещении управляющим оптическим импульсом длительностью Т.Figure 10 shows a photograph of periodic optical pulses arriving at the output port 1M of the photon switch when periodic optical pulses of various durations are received from the input ports 1N and 2N at different times, having parallel polarization axes S || P and when the control light is illuminated by a pulse of duration T (see Fig. 9, position 58 (τ ₅ , P), position - 59 (τ ₄ , P), position 56)); Figure 11 presents the optical scheme of the photon matrix switch, which implements optical communication between the input 2N and output 1M, 2M ports (branching mode), when periodic optical pulses arrive from the input port 2N to the active element and are illuminated by a control optical pulse of duration T.

На фиг.12 представлена фотография оптических импульсов, поступающих на выходные 1М и 2М порты фотонного переключателя (см. фиг.11, позиция 60, позиция 64 (τ₆, , P), позиция 66 (τ₆, , S)).On Fig presents a photograph of the optical pulses arriving at the output 1M and 2M ports of the photon switch (see 11, position 60, position 64 (τ ₆ , , P), position 66 (τ ₆ , , S)).

При этом на всех фотографиях показаны номера каналов, шкалы временной развертки (мкс/см, ns/см) и чувствительности (mV/см) осциллографа, при которых оценивались характеристики регистрируемых оптических импульсов.Moreover, all photographs show the channel numbers, time base scales (μs / cm, ns / cm) and sensitivity (mV / cm) of the oscilloscope, at which the characteristics of the recorded optical pulses were estimated.

На чертежах приняты следующие обозначения;In the drawings, the following notation;

1 - активный элемент фотонного матричного переключателя;1 - active element of the photon matrix switch;

2 - высокоомный n-слой активного элемента;2 - high resistance n-layer of the active element;

3 - p-слой активного элемента;3 - p-layer of the active element;

4 - диэлектрическое покрытие;4 - dielectric coating;

5 - просветляющее покрытие;5 - antireflection coating;

6 - слой туннельного диэлектрика;6 - a layer of tunneling dielectric;

7 - отрицательный электрод;7 - negative electrode;

8 - положительный электрод;8 - positive electrode;

9 - входная призма, объединяющая в единый световой пучок импульсы линейно-поляризованного света, поступающие с входных 1N и 2N портов;9 - input prism, combining in a single light beam pulses of linearly polarized light coming from the input 1N and 2N ports;

10 - входной поляризатор в виде поляризационной призмы, обеспечивающий преобразование неполяризованного импульсного оптического излучения, поступающего на входной порт 1N, в линейно-поляризованное с осью поляризации S;10 - input polarizer in the form of a polarizing prism, which provides the conversion of unpolarized pulsed optical radiation entering the input port 1N, linearly polarized with the axis of polarization S;

11 - S ориентация оси поляризации в импульсах света , поступающих на активный элемент с входного порта 1N;11 - S orientation of the axis of polarization in light pulses arriving at the active element from the input port 1N;

12 - микрообъектив входного порта 1N;12 - micro lens of the input port 1N;

13 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой , поступающий на входной порт 1N;13 - continuous optical pulse of duration τ ₁ and amplitude arriving at the input port 1N;

14 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₂, поступающие на входной порт 1N;14 - packets of optical pulses of duration t ₁ formed from discrete optical pulses of duration τ ₂ received at the input port 1N;

15 - периодические оптические импульсы длительность τ₂;15 - periodic optical pulses of duration τ ₂ ;

16 - источник формирования оптических импульсов различной амплитуды, частоты и длительности, поступающих на входной порт 1N фотонного переключателя;16 is a source of formation of optical pulses of various amplitudes, frequencies and durations supplied to the input port 1N of the photon switch;

17 - входной поляризатор (поляризационная призма), обеспечивающий преобразование неполяризованного импульсного оптического излучения, поступающего на входной порт 2N, в линейно-поляризованное с осью поляризации P;17 - input polarizer (polarizing prism), which provides the conversion of unpolarized pulsed optical radiation entering the input port 2N, linearly polarized with the axis of polarization P;

18 - P ориентация оси поляризации в импульсах света , поступающих на активный элемент с входного порта 2N;18 - P orientation of the axis of polarization in pulses of light arriving at the active element from the input port 2N;

19 - микрообъектив входного порта 2N;19 - micro lens of the input port 2N;

20 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой , поступающий в отсутствии управляющего оптического сигнала на активный элемент 1 с входного порта 2N одновременно с оптическим импульсом 13;20 - continuous optical pulse of duration τ ₁ and amplitude coming in the absence of a control optical signal to the active element 1 from the input port 2N simultaneously with the optical pulse 13;

21 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₃, поступающие в отсутствии управляющего оптического сигнала на активный элемент с входного порта 2N одновременно с оптическими импульсами 14;21 - packets of optical pulses of duration t ₁ , formed from discrete optical pulses of duration τ ₃ , arriving in the absence of a control optical signal to the active element from the input port 2N simultaneously with optical pulses 14;

22 - периодические оптические импульсы длительностью τ₃, поступающие в отсутствии управляющего оптического сигнала на активный элемент с входного порта 2N одновременно с оптическими импульсами 15;22 - periodic optical pulses of duration τ ₃ received in the absence of a control optical signal to the active element from the input port 2N simultaneously with the optical pulses 15;

23 - источник формирования оптических импульсов различной амплитуды, частоты и длительности, поступающих на входной порт 2N;23 - the source of the formation of optical pulses of various amplitudes, frequencies and durations supplied to the input port 2N;

24 - ориентация осей поляризации в импульсных световых потоках и после прохождения ими активного элемента в отсутствии управляющего оптического импульса;24 - orientation of the polarization axes in pulsed light fluxes and after they pass the active element in the absence of a control optical pulse;

25 - выходная двоякопреломляющая призма, обеспечивающая пространственное разделение импульсных световых потоков и с ортогональными осями поляризации P и S;25 - output birefringent prism, providing spatial separation of pulsed light fluxes and with orthogonal polarization axes P and S;

26 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 1М после прохождения импульсными световыми потоками и выходной двоякопреломляющей призмы 25;26 - orientation of the axis of polarization in pulses of light arriving at the output port 1M after the passage of pulsed light fluxes and output birefringent prism 25;

27 - микрообъектив выходного порта 1М;27 - micro lens of the output port 1M;

28 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой , поступающий на выходной порт 1М в отсутствии управляющего оптического импульса;28 - continuous optical pulse of duration τ ₁ and amplitude arriving at the output port 1M in the absence of a control optical pulse;

29 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 1М в отсутствии управляющего оптического импульса;29 - packets of optical pulses of duration t ₁ , formed from discrete optical pulses of duration τ ₂ , arriving at the output port 1M in the absence of a control optical pulse;

30 - периодические оптические импульсы длительность τ₂, поступающие на выходной порт 1М в отсутствии управляющего оптического импульса;30 - periodic optical pulses of duration τ ₂ supplied to the output port 1M in the absence of a control optical pulse;

31 - фотоприемное устройство регистрации оптических импульсов, поступающих на выходной порт 1М;31 - photodetector registration of optical pulses arriving at the output port 1M;

32 - микрообъектив выходного порта 2М;32 - micro lens of the output port 2M;

33 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 2М, после прохождения импульсными световыми потоками и выходной двоякопреломляющей поляризационной призмы 25;33 - orientation of the axis of polarization in the pulses of light entering the output port 2M, after the passage of pulsed light fluxes and output birefringent polarizing prism 25;

34 - непрерывный оптический импульс, длительностью τ₁ и амплитудой , поступающий на выходной порт 2М в отсутствии управляющего оптического импульса (одновременно с оптическим импульсом 28);34 - continuous optical pulse of duration τ ₁ and amplitude arriving at the output port 2M in the absence of a control optical pulse (simultaneously with the optical pulse 28);

35 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 2М в отсутствии управляющего оптического импульса (одновременно с оптическими импульсами 29);35 - packets of optical pulses of duration t ₁ , formed from discrete optical pulses of duration τ ₃ , arriving at the output port 2M in the absence of a control optical pulse (simultaneously with optical pulses 29);

36 - периодические оптические импульсы длительность τ₃, поступающие на выходной порт 2М, в отсутствии управляющего оптического импульса (одновременно с оптическими импульсами 30);36 - periodic optical pulses of duration τ ₃ supplied to the output port 2M, in the absence of a control optical pulse (simultaneously with optical pulses 30);

37 - фотоприемное устройство регистрации оптических импульсов, поступающих на выходной порт 2М.37 - photodetector recording optical pulses arriving at the output port 2M.

38 - оптическая система источника импульсов управляющего света;38 - optical system of the source of pulses of the control light;

39 - ось излучения, формируемого оптической системой 38 от источника управляющего света 40, перпендикулярная плоскости просветляющего покрытия 5;39 - the axis of the radiation generated by the optical system 38 from the control light source 40, perpendicular to the plane of the antireflective coating 5;

40 - источник формирования оптических импульсов управляющего света различной амплитуды, частоты и длительности;40 is a source of the formation of optical pulses of control light of different amplitude, frequency and duration;

41 - оптический управляющий световой импульс длительностью T₁=τ₁;41 - optical control light pulse of duration T ₁ = τ ₁ ;

42 - оптические управляющие световые импульсы длительностью T₂~t₁;42 - optical control light pulses of duration T ₂ ~ t ₁ ;

43 - оптические управляющие световые импульсы длительностью T₃~τ₃;43 - optical control light pulses of duration T ₃ ~ τ ₃ ;

44 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой , поступающий при воздействии управляющего оптического сигнала 41 на выходной порт 1М;44 - continuous optical pulse of duration τ ₁ and amplitude received by the action of the control optical signal 41 on the output port 1M;

45 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 1М при воздействии управляющими оптическими импульсами 42;45 - packets of optical pulses of duration t ₁ , formed from discrete optical pulses of duration τ ₃ , arriving at the output port 1M when exposed to control optical pulses 42;

46 - периодические оптические импульсы длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 1М в отсутствии воздействия управляющими оптическими импульсами 43;46 - periodic optical pulses of duration τ ₂ received at the output port 1M in the absence of exposure to the control optical pulses 43;

47 - периодические оптические импульсы длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 1М при воздействии управляющими оптическими импульсами 43;47 - periodic optical pulses of duration τ ₃ received at the output port 1M when exposed to control optical pulses 43;

48 - непрерывный оптический импульс длительностью τ₁ и амплитудой , поступающий на выходной порт 2М при воздействии управляющего оптического импульса 41 (одновременно с импульсом света 44);48 - continuous optical pulse of duration τ ₁ and amplitude arriving at the output port 2M when exposed to a control optical pulse 41 (simultaneously with the light pulse 44);

49 - пакеты оптических импульсов длительностью t₁, сформированные из дискретных оптических импульсов длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 2М при воздействии управляющими оптическими импульсами 42 (одновременно с пакетами импульсов 45);49 - packets of optical pulses of duration t ₁ , formed from discrete optical pulses of duration τ ₂ , arriving at the output port 2M when exposed to control optical pulses 42 (simultaneously with pulse packets 45);

50 - периодические оптические импульсы длительностью τ₃, поступающие на выходной порт 2М в отсутствии воздействия управляющими оптическими сигналами 43;50 - periodic optical pulses of duration τ ₃ received at the output port 2M in the absence of exposure to the control optical signals 43;

51 - периодические оптические импульсы длительностью τ₂, поступающие на выходной порт 2М при воздействии управляющими оптическими сигналами 43;51 - periodic optical pulses of duration τ ₂ received at the output port 2M when exposed to control optical signals 43;

52 - входная поляризационная призма, обеспечивающая преобразование неполяризованного импульсного оптического излучения, поступающего на входной порт 1N, в линейно-поляризованное с осью поляризации P;52 - input polarizing prism, which provides the conversion of unpolarized pulsed optical radiation entering the input port 1N, linearly polarized with the axis of polarization P;

53 - P ориентация оси поляризации в импульсах света , поступающих на активный элемент с входного порта 1N;53 - P orientation of the axis of polarization in pulses of light arriving at the active element from the input port 1N;

54 - периодические оптические импульсы длительностью τ₄, поступающие на активный элемент с входного порта 1N;54 - periodic optical pulses of duration τ ₄ received on the active element from the input port 1N;

55 - периодические оптические импульсы длительностью τ₅, поступающие на активный элемент с входного порта 2N;55 - periodic optical pulses of duration τ ₅ received on the active element from the input port 2N;

56 - оптический управляющий световой импульс длительностью Т₄;56 - optical control light pulse with a duration of T ₄ ;

57 - P - ориентация осей поляризации в импульсных световых потоках и после прохождения ими активного элемента при воздействии управляющего оптического сигнала 56;57 - P - orientation of the polarization axes in pulsed light fluxes and after they pass the active element when exposed to a control optical signal 56;

58 - периодические оптические импульсы длительностью τ₅, поступающие на выходной порт 1М с входного порта 2N при воздействии управляющим импульсом света 56;58 - periodic optical pulses of duration τ ₅ received at the output port 1M from the input port 2N when exposed to a control pulse of light 56;

59 - периодические оптические импульсы длительностью Т4, поступающие на выходной порт 1М с входного порта IN при воздействии управляющим импульсом света 56;59 - periodic optical pulses of duration T4, arriving at the output port 1M from the input port IN when exposed to a control pulse of light 56;

60 - оптический управляющий световой импульс длительностью Т₅;60 - optical control light pulse with a duration of T ₅ ;

61 - периодические оптические импульсы длительностью τ₆, поступающие на активный элемент с входного порта 2N при воздействии управляющего оптического сигнала 60;61 - periodic optical pulses of duration τ ₆ received on the active element from the input port 2N when exposed to a control optical signal 60;

62 - ориентация оси поляризации в импульсном световом потоке после прохождения активного элемента при воздействии управляющего оптического сигнала 60;62 - orientation of the axis of polarization in a pulsed light flux after the passage of the active element when exposed to a control optical signal 60;

63 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 1М после прохождения импульсным световым потоком выходной двоякопреломляющей призмы 25;63 - orientation of the polarization axis in pulses of light arriving at the output port 1M after passing through a pulsed light flux output birefringent prism 25;

64 - периодические оптические импульсы длительность τ₆ и амплитудой , поступающие на выходной порт 1М при воздействии управляющего оптического сигнала 60;64 - periodic optical pulses of duration τ ₆ and amplitude arriving at the output port 1M when exposed to a control optical signal 60;

65 - ориентация оси поляризации в импульсах света, поступающих на выходной порт 2М после прохождения импульсным световым потоком выходной двоякопреломляющей призмы 25;65 is the orientation of the polarization axis in pulses of light entering the output port 2M after passing through a pulsed light flux output birefringent prism 25;

66 - периодические оптические импульсы длительность τ₆ и амплитудой , поступающие на выходной порт 2М при воздействии управляющего оптического сигнала 60 (одновременно с импульсами света 64).66 - periodic optical pulses of duration τ ₆ and amplitude received at the output port 2M when exposed to a control optical signal 60 (simultaneously with light pulses 64).

Фотонный матричный переключатель работает следующим образом. В общем случае, в матричном переключателе исходно прямые или перекрестные взаимные связи между входными и выходными портами 1N, 2N и 1М, 2М могут быть заданы произвольно через ориентацию осей поляризации S и Р в импульсных световых потоках и оптических осей выходной двоякопреломляющей призмы 25 при условии, что, во-первых, оси поляризации 11 и 18 в импульсных световых потоках и взаимно перпендикулярны (т.е. S⊥P) и, во-вторых, при установлении призмы 25 в положение, при котором оси поляризации S и P в импульсных световых потоках на выходе активного элемента параллельны соответствующим оптическим осям материала выходной двоякопреломляющей призмы 25.Photon matrix switch operates as follows. In the general case, in the matrix switch, the initial direct or cross mutual relations between the input and output ports 1N, 2N, and 1M, 2M can be set arbitrarily through the orientation of the polarization axes S and P in pulsed light fluxes and optical axes of the output birefringent prism 25, provided that that, firstly, the polarization axis 11 and 18 in pulsed light fluxes and mutually perpendicular (i.e., S⊥P) and, secondly, when the prism 25 is set to a position in which the polarization axes S and P in the pulsed light fluxes at the output of the active element are parallel to the corresponding optical axes of the material of the birefringent prism 25.

Источниками формирования оптических импульсов 16 и 23 формируются одновременно импульсы естественного света различной амплитуды, частоты и длительности, которые с помощью микрообъективов 12 и 19 коллимируются в узкие пучки, пропускание которых через входные поляризаторы 10 и 17 приводит к преобразованию из неполяризованного импульсного оптического излучения, в линейно-поляризованное. В результате импульсы естественного света 13, 14, 15, поступающие на входной порт 1N, преобразуются в импульсы линейно-поляризованного света с осью поляризации S, а, соответственно, импульсы естественного света 20, 21, 22, поступающие на входной порт 2N, преобразуются в импульсы линейно-поляризованного света с осью поляризации Р. После этого, с помощью призмы 9, они объединяются в единый световой пучок и пропускаются через ООЗ p-n перехода активного элемента переключателя 1 параллельно длинной грании активного элемента l. В отсутствии освещения управляющими импульсами света к электродам 7 и 8 активного элемента 1 прикладывается внешнее напряжение V₀, соответствующее напряжению обратного смещения p-n перехода, что приводит к локализации электрического поля в ООЗ p-n перехода активного элемента, а в остальном высокоомном слое 2 структуры его величина близка к нулю. При этом величина приложенного напряжения V₀ выбирается такой, чтобы в результате синхронного вращения осей поляризации P и S, происходящего по мере распространения линейно-поляризованных импульсных световых потоков и через область сильного поля ООЗ p-n перехода, на выходе активного элемента длиной l угол их поворота составлял φ=90° (фазовый набег Г=π). То есть ориентация осей поляризации Р и S у линейно-поляризованных импульсных световых потоков и на выходе активного элемента меняется на противоположную (фиг.1, позиция 24, S→P, P→S, позиция 26, позиция 33) относительно состояния их ориентации на входе в активный элемент. Пройдя выходную двоякопрелемляющую призму 25, импульсные световые потоки и коллимируются соответствующими микрообъективами 27 и 32 и поступают на выходные порты переключателя. Т.к. по мере распространения оптических импульсов происходит частичное поглощение и отражение света от элементов, составляющих оптическую схему, то, соответственно, амплитуда импульсов света, поступающих на выходной порт 1М и 2М, уменьшается на постоянную величину по сравнению с амплитудой тех же импульсов, поступающих на входные каналы 1N и 2N переключателя. Однако при этом все остальные характеристики коммутируемых оптических импульсов (частота, форма, длительность и спектр) полностью сохраняются. Поэтому импульсные световые потоки 13, 14, 15 в виде импульсов 28, 29, 30, имеющих ту же длительность, форму, спектр и частоту следования, но меньшую амплитуду, поступают на выходной порт 1N, после чего регистрируются фотоприемным устройством 31. Соответственно, импульсные световые потоки 20, 21 и 22, поступающие с входного порта 2N, отклоняются призмой и поступают на выходной порт 2N в виде оптических импульсов 34, 35, 36, где регистрируются фотоприемным устройством 37.The sources of the formation of optical pulses 16 and 23 simultaneously form natural light pulses of various amplitudes, frequencies and durations, which are collimated using micro lenses 12 and 19 into narrow beams, the transmission of which through the input polarizers 10 and 17 leads to the conversion from unpolarized pulsed optical radiation to linearly -polarized. As a result, the natural light pulses 13, 14, 15 received at the input port 1N are converted into linearly polarized light pulses with a polarization axis S, and, accordingly, the natural light pulses 20, 21, 22 received at the input port 2N are converted into pulses of linearly polarized light with the polarization axis P. After this, using prism 9, they are combined into a single light beam and passed through OOZ pn of the transition of the active element of switch 1 parallel to the long edge of the active element l. In the absence of control light pulses, an external voltage V ₀ corresponding to the reverse bias voltage pn of the junction is applied to the electrodes 7 and 8 of the active element 1, which leads to localization of the electric field in the SCR pn of the junction of the active element, and in the rest of the high-resistance layer 2 of the structure, its value is close to zero. In this case, the value of the applied voltage V ₀ is chosen such that, as a result of synchronous rotation of the polarization axes P and S, which occurs as linearly polarized pulsed light fluxes propagate and through the region of the strong OOZ field of the pn junction, at the output of the active element of length l, the angle of rotation was φ = 90 ° (phase incursion Γ = π). That is, the orientation of the polarization axes P and S of linearly polarized pulsed light fluxes and the output of the active element is reversed (Fig. 1, position 24, S → P, P → S, position 26, position 33) relative to the state of their orientation at the entrance to the active element. Having passed the output birefringent prism 25, pulsed light fluxes and collimated by the corresponding micro-lenses 27 and 32 and fed to the output ports of the switch. Because as optical pulses propagate, partial absorption and reflection of light from the elements making up the optical circuit occurs, then, accordingly, the amplitude of the light pulses arriving at the output port 1M and 2M decreases by a constant value compared to the amplitude of the same pulses arriving at the input channels 1N and 2N switches. However, at the same time, all other characteristics of switched optical pulses (frequency, shape, duration, and spectrum) are fully preserved. Therefore, pulsed light fluxes 13, 14, 15 in the form of pulses 28, 29, 30, having the same duration, shape, spectrum and repetition rate, but with a lower amplitude, are fed to the output port 1N, and then recorded by the photodetector 31. Accordingly, the pulsed the light fluxes 20, 21 and 22 coming from the input port 2N are rejected by the prism and fed to the output port 2N in the form of optical pulses 34, 35, 36, where they are detected by the photodetector 37.

Управляющие световые импульсы 41, 42, 43 с энергией квантов hv≥E_g, где hv - энергия кванта, E_g - ширина запрещенной зоны материала кристалла, формируются источником управляющих импульсов света 40, а затем коллимируются микрообъективом 38 в виде узкого пучка света и направляются параллельно оси 39 перпендикулярно грани, содержащей просветляющее покрытие 5 и электрическую неоднородность (p-n переход). Поглощение квантов управляющего света в ООЗ p-n перехода 3, 2 приводит к генерации электронно-дырочных пар и их разделению под действием сильного электрического поля ООЗ n-p перехода. При этом один тип носителей (дырки) вытягиваются во внешнюю цепь через электрод отрицательной полярности 7, а второй тип свободных фотоносителей (фотоэлектроны), дрейфуя через базовую область кристалла, частично накапливаются у поверхности туннельно-тонкого диэлектрического слоя 6. В условиях постоянного приложенного смещения, появление и частичное накопление монополярного заряда свободных фотоносителей (фотоэлектронов) на границе раздела высокоомный полупроводник - туннельно-тонкий диэлектрический слой приводит к перераспределению напряженности электрического поля в объеме высокоомной компоненты 2 активного элемента. В результате, на время действия освещения, напряженность поля в ООЗ p-n перехода резко падает практически до нуля, возрастая в приконтактной высокоомной области 2 у неосвещаемого электрода активного элемента, содержащего туннельно-тонкий диэлектрический слой 6. Такое пространственное перераспределение электрического поля в активном элементе 1 приводит к тому, что на время действия освещения у линейно-поляризованных импульсных световых потоков и , при их распространении через ООЗ p-n перехода, изменение состояния поляризации S и Р не происходит (т.е. поворота на φ=90°). Поэтому, на выходе активного элемента 1 состояние Р и S осей поляризации в импульсных световых потоках, поступающих с входного 1N и 2N портов 24, соответствует их исходному состоянию 11, 18. В этом случае на время действия освещения управляющими импульсами света 41, 42 и 43 импульсные световые потоки 13, 14, 15 в виде импульсных световых потоков меньшей мощности 48, 49 и 51 поступают на выходной порт 2М, а импульсные световые потоки 20, 21, 22 в виде импульсов света меньшей мощности 44, 45, 47 поступают на выходной порт 1М. После выключения импульсов управляющего освещения исходное восстановление взаимных связей между входными и выходными портами в переключателе (соответствующее варианту связей в отсутствии освещения) происходит самопроизвольно за время релаксации электрического поля к своему исходному темновому состоянию. При реализации режима «сборка» входные поляризаторы 52 и 17 исходно ориентируются таким образом, чтобы их оси поляризации были параллельны друг другу, т.е. ||. Воздействие управляющим импульсом света 56 приводит на время действия освещения к протеканию в активном элементе процессов, аналогичных описанным выше. Соответственно сохранение исходного состояния осей поляризации в световых потоках || ведет, как следствие, к поступлению импульсов света 54, 55 на выходной порт 1М. При реализации режима «ветвление» величина прикладываемого к активному элементу напряжения V₀ и мощность управляющего импульса света выбирается такой, чтобы при распространении линейно-поляризованного импульсного светового потока через область сильного поля ООЗ p-n перехода длиной l угловое изменение оси поляризации Р на выходе активного элемента 62 составляло 45° относительно ее состояния на входе активного элемента. Пройдя выходную двоякопрелемляющую призму 25, импульсные световые потоки и коллимируются соответствующими микрообъективами 27 и 32 и поступают на выходные порты переключателя в виде импульсов света 64 и 66.Control light pulses 41, 42, 43 with quantum energies hv≥E _g , where hv is the quantum energy, E _g is the band gap of the crystal material, are formed by the source of control light pulses 40, and then collimated by a micro lens 38 in the form of a narrow light beam and directed parallel to axis 39, perpendicular to the face containing the antireflection coating 5 and electrical inhomogeneity (pn junction). The absorption of control light quanta in the SCR of the pn junction 3, 2 leads to the generation of electron-hole pairs and their separation under the action of a strong electric field of the SCO np junction. In this case, one type of carriers (holes) are pulled into the external circuit through an electrode of negative polarity 7, and the second type of free photocarriers (photoelectrons), drifting through the base region of the crystal, partially accumulate at the surface of the tunnel-thin dielectric layer 6. Under conditions of constant applied bias, the appearance and partial accumulation of a monopolar charge of free photocarriers (photoelectrons) at the interface of a high-impedance semiconductor - tunnel-thin dielectric layer leads to a redistribution electric field strength in the volume of the high-resistance component 2 of the active element. As a result, for the duration of the illumination, the field strength in the SCR of the pn junction sharply drops to almost zero, increasing in the non-contact high-resistance region 2 of the unlit electrode of the active element containing the tunnel-thin dielectric layer 6. Such a spatial redistribution of the electric field in the active element 1 leads to the fact that for the duration of the illumination of linearly polarized pulsed light fluxes and , when they propagate through the SCR pn junction, a change in the polarization state S and P does not occur (i.e., a rotation by φ = 90 °). Therefore, at the output of the active element 1, the state of the P and S polarization axes in the pulsed light flux coming from the input 1N and 2N ports 24 corresponds to their initial state 11, 18. In this case, for the duration of the illumination, the control light pulses 41, 42 and 43 pulsed light streams 13, 14, 15 in the form of pulsed light streams of lower power 48, 49 and 51 are fed to the output port 2M, and pulsed light streams 20, 21, 22 in the form of light pulses of lower power 44, 45, 47 are fed to the output port 1M. After the control light pulses are turned off, the initial restoration of the mutual relations between the input and output ports in the switch (corresponding to the connection option in the absence of lighting) occurs spontaneously during the relaxation of the electric field to its original dark state. When implementing the “assembly” mode, the input polarizers 52 and 17 are initially oriented in such a way that their polarization axes are parallel to each other, i.e. || . The impact of the control pulse of light 56 leads to the duration of the lighting to occur in the active element of processes similar to those described above. Accordingly, the preservation of the initial state of the polarization axes in the light fluxes || leads, as a consequence, to the arrival of light pulses 54, 55 to the output port 1M. When implementing the “branching” mode, the magnitude of the voltage V ₀ applied to the active element and the power of the control light pulse are chosen such that, during the propagation of a linearly polarized pulsed light stream through the region of the strong OOZ field of the pn junction of length l, the angular change in the polarization axis P at the output of the active element 62 was 45 ° relative to its state at the input of the active element. Having passed the output birefringent prism 25, pulsed light fluxes and collimated by the corresponding micro-lenses 27 and 32 and fed to the output ports of the switch in the form of light pulses 64 and 66.

Пример конкретной реализацииConcrete implementation example

Активный элемент фотоннного матричного переключателя был изготовлен на основе совершенного высокоомного монокристалла n-CdTe(In) с удельным сопротивлением ρ~6×10⁷ Ом\см. Монокристалл представлял собой прямоугольный параллелепипед с линейными размерами: l×h×d=8×4×0,5 мм, где, l - длина, h - высота, d - толщина. Монокристалл n-CdTe(In) вырезался из объемной були теллурида кадмия таким образом, чтобы нормаль к большей поверхности грани l×h совпадала с осью кристалла [111]. После резки все грани монокристалла обрабатывались стандартными технологическими методами (шлифовка, полировка, травление), после чего на одной из больших граней монокристалла посредством электродиффузии Cu, при температуре 250-255°C, в течении 45 часов создавался p-n переход, глубина залегания которого составляла 40-60 мкм. После этого все грани структуры, кроме грани содержащей p-n переход, дополнительно полировались и подвергались травлению, после чего на грани, противоположной грани, содержащей p-n переход, посредством окисления в атмосфере сухого кислорода O₂ в течение 30 с создавался туннельно-тонкий диэлектрический слой толщиной d~1÷5 нм. Затем, на окисленную грань монокристалла напылялись тонкие, оптически прозрачные слои индия толщиной 5-10 нм, на которые впоследствии напаивались проволочные золотые электроды. После этого на грань кристалла, содержащую p-n переход, наносился слой Si₃N₄, являющийся одновременно просветляющим и герметизирующим покрытием, а затем, для исключения короткого замыкания между электродами, по периметру грани, поверх p-n перехода, металлического электрода и просветляющего покрытия, наносилось с помощью диффузии ванадия, диэлектрическое покрытие шириной ~250-300 мкм и глубиной залегания диффузионного слоя ~100 мкм.The active element of the photon matrix switch was fabricated on the basis of a perfect high-resistance n-CdTe (In) single crystal with a specific resistance of ρ ~ 6 × 10 ⁷ Ohm / cm. The single crystal was a rectangular parallelepiped with linear dimensions: l × h × d = 8 × 4 × 0.5 mm, where, l is the length, h is the height, d is the thickness. An n-CdTe (In) single crystal was cut out from a bulky cadmium telluride bullet so that the normal to the larger surface of the l × h face coincided with the axis of the crystal [111]. After cutting, all faces of the single crystal were processed by standard technological methods (grinding, polishing, etching), after which a pn junction was created at a temperature of 250-255 ° C for 45 hours at one of the large faces of the single crystal by electrodiffusion of Cu, the depth of which was 40 -60 microns. After that, all faces of the structure, except for the face containing the pn junction, were additionally polished and subjected to etching, after which a tunnel-thin dielectric layer of thickness d was created in the atmosphere of dry oxygen O ₂ for 30 s by oxidation in the atmosphere of dry oxygen O ₂ within 30 s ~ 1 ÷ 5 nm. Then, thin, optically transparent indium layers 5-10 nm thick were sprayed onto the oxidized face of the single crystal, which were subsequently soldered with gold wire electrodes. After that, a Si ₃ N ₄ layer was deposited on the crystal face containing the pn junction, which is both an antireflection and sealing coating, and then, to prevent a short circuit between the electrodes, along the perimeter of the face, over the pn junction, the metal electrode, and the antireflection coating, it was applied with using vanadium diffusion, a dielectric coating with a width of ~ 250-300 μm and a depth of the diffusion layer of ~ 100 μm.

Проведение испытаний фотонного матричного переключателя проводилось на стенде, представляющим собой комплекс радиоизмерительной, электронной аппаратуры и специальной механической системы, включающей микроподвижки, посредством которых обеспечивалось точное координатное согласование импульсных пучков управляющего света и пучков коммутируемого света, поступающих с входных портов 1N и 2N на активный элемент, и всеми оптическими элементами фотонного матричного переключателя, включая его выходные порты и фотоприемные устройства.Testing of the photon matrix switch was carried out on a stand, which is a complex of radio measuring, electronic equipment and a special mechanical system, including micromotors, through which accurate coordinate matching of pulsed control light beams and commutated light beams coming from the input ports 1N and 2N to the active element was provided, and all the optical elements of the photon matrix switch, including its output ports and photodetectors.

В качестве источника управляющих оптических импульсов различной амплитуды, частоты и длительности использовался полупроводниковый лазер типа ML6012R с длиной волны λ=0,82 мкм, оптическое излучение которого выводилось через стандартный одномодовый световод с волоконно-оптическим разъемом. Внутри разъема размещалась оптическая система, формирующая пучок управляющего света необходимой формы, с его помощью осуществлялось жесткое крепление световода на корпусе макета. В качестве источников оптических импульсов коммутируемого света (т.е. оптических импульсов, поступающих на входные порты 1N и 2N) использовались полупроводниковые лазеры с длиной волны λ₁=1,46 мкм и λ₂=1,44 мкм типа D2570 (Japan). Импульсное излучение от лазеров, поступающее на входные порты 1N и 2N, подводилось к корпусу макета с помощью волоконных световодов с механическими разъемами, каждый из которых содержал внутри длиннофокусную оптическуя систему с переменным фокусным расстоянием и механически, после юстировки, жестко закреплялся на корпусе макета.An ML6012R type semiconductor laser with a wavelength of λ = 0.82 μm was used as a source of control optical pulses of various amplitudes, frequencies, and durations, and its optical radiation was output through a standard single-mode fiber with a fiber optic connector. An optical system was placed inside the connector, forming a beam of control light of the required shape, with its help the fiber was rigidly mounted on the prototype body. Semiconductor lasers with a wavelength of λ ₁ = 1.46 μm and λ ₂ = 1.44 μm type D2570 (Japan) were used as sources of optical pulses of switched light (i.e., optical pulses arriving at the input ports 1N and 2N). The pulsed radiation from the lasers arriving at the input ports 1N and 2N was supplied to the prototype body using fiber optic fibers with mechanical connectors, each of which contained a telephoto optical system with a variable focal length and mechanically, after adjustment, was rigidly fixed to the prototype body.

Формирование импульсов управляющего и коммутируемого света обеспечивалось за счет независимой модуляции полупроводниковых лазеров по току накачки, с помощью специальных электронных схем питания, изготовленных одним из авторов. Используемые электронные схемы питания позволяли в широких пределах осуществлять независимую регулировку формы, частоты, амплитуды и длительности у любого из оптического сигналов (управляющего или коммутируемого). Временная синхронизация управляющих и коммутируемых оптических импульсов осуществлялась электронным способом посредством синхронизации между собой генераторов электрических импульсов, импульсы от которых подавались на соответствующие электронные схемы питания полупроводниковых лазеров. Регистрация всех характеристик оптических импульсов, поступающих как на входные, так и выходных порты переключателя, осуществлялась с помощью быстродействующих германиевых p-i-n фотодиодов, сигналы от которых подавались на осциллографы типа Tektronix и RIGOL. Длительность переднего и заднего фронта оптических импульсов оценивались по уровню 0,9, а амплитуда сигнала на входных и выходных портах - по величине напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки R_н=50 Ом.The formation of pulses of control and switched light was provided due to the independent modulation of semiconductor lasers according to the pump current, using special electronic power circuits made by one of the authors. The electronic power circuits used made it possible to independently carry out independent adjustment of the shape, frequency, amplitude, and duration of any of the optical signals (control or switched). Temporary synchronization of control and switched optical pulses was carried out electronically by synchronizing electric pulse generators with each other, the pulses from which were fed to the corresponding electronic power supply circuits of semiconductor lasers. All characteristics of the optical pulses arriving at the input and output ports of the switch were recorded using fast-acting germanium pin photodiodes, the signals from which were fed to Tektronix and RIGOL oscilloscopes. The duration of the leading and trailing edges of the optical pulses was estimated at a level of 0.9, and the signal amplitude at the input and output ports was estimated from the magnitude of the voltage taken from the load resistance R _n = 50 Ohms.

В качестве входных поляризаторов использовались две одинаковые бикристаллические призмы, изготовленные путем твердофазного сращивания двух кристаллов сапфира, исходно вырезаемых по различным оптическим осям. Изготавливаемый таким способом поляризатор представляет собой неразъемное соединение без связующих прослоек толщиной ~1 мм и межфазной границы раздела, имеющей высокую степень структурного совершенства. В качестве выходной двоякопреломляющей призмы использовалась кварцевая призма Волластона.As input polarizers, we used two identical bicrystalline prisms made by solid-phase coalescence of two sapphire crystals, initially cut along different optical axes. The polarizer made in this way is an integral connection without binder layers with a thickness of ~ 1 mm and an interphase interface having a high degree of structural perfection. A Wollaston quartz prism was used as an output birefringent prism.

Все призмы и оптические системы после юстировки жестко (механически) закреплялись внутри корпуса макета устройства. После этого в корпусе макета на специальном столике размещался и юстировался активный элемент таким образом, чтобы единый пучок света с диаметром перетяжки ω₀~10 мкм, формируемый микрообъективами входных портов 1N и 2N и призмой, распространялся, во-первых, параллельно длинной грани монокристалла l, содержащей p-n переход, во-вторых через область ООЗ p-n перехода, в-третьих, чтобы перетяжка пучка света, формируемая оптическими системами 1N и 2N, располагалась по центру его длинной грани l. Величина напряжения, прикладываемого к активному элементу, а также мощность импульса управляющего света для каждого из режимов коммутации подбирались экспериментально таким образом, чтобы при этих параметрах при коммутации оптических импульсов обеспечивалась глубина модуляции η≥20 дБ.After adjustment, all prisms and optical systems were rigidly (mechanically) fixed inside the device’s prototype case. After that, the active element was placed and adjusted in a prototype casing on a special table in such a way that a single light beam with a waist diameter ω ₀ ~ 10 μm, formed by micro lenses of the input ports 1N and 2N and a prism, propagated, firstly, parallel to the long face of the single crystal l containing a pn junction, secondly, through the region of the SCR pn junction, thirdly, so that the waist of the light beam formed by the optical systems 1N and 2N is located in the center of its long face l. The magnitude of the voltage applied to the active element, as well as the power of the control light pulse for each of the switching modes, was chosen experimentally in such a way that with these parameters when switching optical pulses, a modulation depth of η≥20 dB was provided.

Экспериментально исследовались несколько режима работы переключателя. Первый режим - режим устойчивости поддержания связей между портами при переключении оптических импульсов большой длительности (см. фиг.2 - состояние связей в фотонном переключателе до освещения управляющим импульсом света, фиг.6 - состояние связей в фотонном переключателе при освещении активного элемента импульсом управляющего света (фиг.5, позиция 41)). Данный режим реализован в переключателе при приложенном к активному элементу напряжении V₀=285 В и освещении управляющим импульсом света мощности P₁=17 мВт, τ₁=75 с.Исследование данного режима показало, что при переключении импульсов света из входного порта 1N в выходной 1М порт, глубина модуляции оптического сигнала остается постоянной в течении всего времени освещения управляющим импульсом света и составляет η≥20 дБ.Several modes of operation of the switch were experimentally investigated. The first mode is the stability mode of maintaining connections between ports when switching optical pulses of long duration (see Fig. 2 - the state of the bonds in the photon switch before lighting with a control light pulse, Fig. 6 - state of the bonds in the photon switch when the active element is illuminated by a control light pulse ( 5, position 41)). This mode is implemented in a switch with a voltage of V ₀ = 285 V applied to the active element and illumination with a control light of a power light P ₁ = 17 mW, τ ₁ = 75 s. The study of this mode showed that when switching light pulses from the input port 1N to the output 1M port, the modulation depth of the optical signal remains constant throughout the entire time of illumination by the control light pulse and amounts to η≥20 dB.

Второй режим - режим «пакетной» коммутации, то есть коммутация пакетов оптических импульсов одинаковой длительности t₁, сформированных из дискретных оптических импульсов различной длительности (τ₂ и τ₃), поступающих одновременно на входной порт 1N и 2N (см. фиг.3 - состояние связей в фотонном переключателе до освещения управляющим импульсом света, фиг.7 - состояние связей в фотонном переключателе при освещении управляющими импульсами света длительностью T₂~t₁ с частотой следования управляющих импульсов, совпадающей с частотой следования пакетов коммутируемых импульсов (см. фиг.5 позиция 14, 21, 42). Исследование режима «пакетной» коммутации показало, что данный режим обеспечивается при внешнем приложенном напряжении V₀=315 В и освещении управляющим импульсом света мощностью P₁=23 мВт, при длительности управляющего импульса света, совпадающей с длительностью коммутируемых пакетов, а при различной длительности пакетов - с длительностью импульса управляющего света, совпадающей с длительностью пакета, имеющего наибольшую длительность.The second mode is the "packet" switching mode, that is, switching packets of optical pulses of the same duration t ₁ formed from discrete optical pulses of different durations (τ ₂ and τ ₃ ), arriving simultaneously at the input port 1N and 2N (see figure 3 - the state of the bonds in the photon switch before illumination by the control light pulse, Fig. 7 - the state of the bonds in the photon switch when illuminated by control light pulses of duration T ₂ ~ t ₁ with a pulse repetition rate of control pulses coinciding with the pulse repetition rate Ket switching pulses (see figure 5 position 14, 21, 42). The study of the mode of "packet" switching showed that this mode is provided when the external applied voltage V ₀ = 315 V and illumination by a control light pulse with a power of P ₁ = 23 mW, when the duration of the control light pulse coincides with the duration of the switched packets, and for different durations of the packets with the duration of the control light pulse coinciding with the duration of the packet with the longest duration.

Третий режим - коммутация одиночных периодических оптических импульсов различной длительности τ. Данный режим исследовался при освещении управляющими импульсами света, период следования которых ∧ в два раз больше периода следования одиночных периодических импульсов (см. фиг.5, позиция 15, 22, 43, фиг.4 - состояние связей в фотонном переключателе до освещения импульсом управляющего света, фиг.8 - состояние связей в фотонном переключателе при освещении импульсами управляющего света длительностью T₃~τ₃). Исследование данного режима коммутации показало, что минимальное время переключения (время установления и разрыва соединения), при котором было достигнуто полное переключение импульсов из одного входного канала в другой, составило ~25-30 нс, причем такие времена переключения были реализованы при величине приложенного смещения V₀=320 В и мощности импульса управляющего света 23 мВт. В этом случае вносимые фотонным переключателем (собственные) потери оптической мощности составили 3 дБ.The third mode is commutation of single periodic optical pulses of various durations τ. This mode was studied under illumination by control pulses of light, the repetition period of which is ∧ two times the period of repetition of single periodic pulses (see Fig. 5, position 15, 22, 43, Fig. 4 - state of communications in the photon switch before illumination by the control light pulse , Fig. 8 shows the state of the bonds in the photon switch when illuminated by pulses of control light of duration T ₃ ~ τ ₃ ). The study of this switching mode showed that the minimum switching time (connection establishment and disconnection time), at which pulse switching from one input channel to another was achieved, was ~ 25-30 ns, and such switching times were realized with the applied bias value V ₀ = 320 V and pulse power of the control light 23 mW. In this case, the (intrinsic) optical power loss introduced by the photon switch was 3 dB.

Четвертый режим - режим «сборка». Режим реализовывался при подаче на входные порты 1N и 2N одиночных периодических оптических импульсов различной длительности, которые поступали на активный элемент в различные моменты времени и имели параллельные оси поляризации S||P. Исследование режима «сборка» показало, что функционирование переключателя в данном режиме определяется только длительностью управляющего оптического импульса, причем выходной порт «сборки» может задаваться произвольно, через ориентацию осей поляризации S и Р. Экспериментально, данный режим был реализован при напряжении V₀=285 В и освещении активного элемента управляющим импульсом света мощностью Р=17 мВт (см. фиг.9, позиция 54, 55, 56, 17, 52, 53, 18, 58, 59, фиг.10).The fourth mode is the "assembly" mode. The mode was realized when single periodic optical pulses of various durations were fed to the input ports 1N and 2N, which arrived at the active element at different instants of time and had parallel polarization axes S || P. The study of the "assembly" mode showed that the operation of the switch in this mode is determined only by the duration of the control optical pulse, and the output port of the "assembly" can be set arbitrarily, through the orientation of the polarization axes S and P. Experimentally, this mode was implemented at a voltage of V ₀ = 285 In and illumination of the active element by a control light pulse with a power of P = 17 mW (see Fig. 9, position 54, 55, 56, 17, 52, 53, 18, 58, 59, Fig. 10).

Пятый режим - режим «ветвление», реализовывался при подаче на входной порт 2N одиночных периодических оптических импульсов длительностью τ₆. Исследование режима «ветвление» показало, что длительность функционирования переключателя в данном режиме определяется только длительностью управляющего оптического импульса. Кроме того, в качестве входного порта, из которого может быть осуществлено «ветвление», может использоваться любой из входных портов и при любой ориентации осей поляризации S или P. Кроме того, исследования данного режима показали, что изменение величины приложенного напряжения или мощности управляющего светового импульса позволяет регулировать мощность оптических импульсов, поступающих на выходные порты. Режим «ветвления» оптической мощности 50×50 был реализован при напряжении V₀=132 В и освещении активного элемента импульсом управляющего света мощностью Р=8,7 мВт (см. фиг.11, позиция 60, 61, 64, 66).The fifth mode, the “branching” mode, was realized when 2N single periodic optical pulses of duration _{6 6 were} applied to the input port. The study of the "branching" mode showed that the duration of the switch in this mode is determined only by the duration of the control optical pulse. In addition, any of the input ports can be used as the input port from which branching can be performed for any orientation of the polarization axes S or P. In addition, studies of this mode showed that a change in the magnitude of the applied voltage or power of the control light pulse allows you to adjust the power of the optical pulses received at the output ports. The “branching” mode of 50 × 50 optical power was implemented at a voltage of V ₀ = 132 V and illumination of the active element with a control light pulse with a power of P = 8.7 mW (see Fig. 11, position 60, 61, 64, 66).

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемый фотонный матричный переключатель впервые обеспечивает время установления и разрыва соединения 25-30 нс при полной глубине модуляции. Кроме того помимо переключения, фотонный переключатель может обеспечить новые режимы соединения - «сборки» и «ветвления» оптической мощности в выходных портах переключателя.Thus, in comparison with the prototype, the inventive photonic matrix switch for the first time provides a connection establishment and disconnection time of 25-30 ns at full modulation depth. In addition to switching, the photon switch can provide new connection modes - “assembly” and “branching” of optical power in the output ports of the switch.

Следует отметить, что аналогичный по конструкции активный элемент может быть изготовлен на основе других высокоомных полупроводников, например CdZnTe, GaAs, CdTe, InP и других. Основанием для такого утверждения является тот факт, что монокристаллы этих полупроводников являются электрооптическими, обладают сходными электрофизическими свойствами, в частности, шириной запрещенной зоны, структурой зоны, а также могут быть выращены высокоомными.It should be noted that an active element similar in design can be made on the basis of other high-resistance semiconductors, for example, CdZnTe, GaAs, CdTe, InP, and others. The basis for this statement is the fact that the single crystals of these semiconductors are electro-optical, have similar electrophysical properties, in particular, the band gap, the structure of the zone, and can also be grown in high resistance.

Claims

A photon matrix switch containing an active element in the form of a rectangular parallelepiped made on the basis of an electro-optical crystal containing electrical inhomogeneity at the surface of the illuminated face, and on the face opposite to the illuminated one, a tunnel dielectric layer, electrodes electrically connected to a power source, a source of control light pulses , two input and two output ports, two prisms optically coupled to the input and output ports, respectively, one of which is the input one it is placed in front, and the other one, the output one, after the active element, with each input port containing a micro lens and a polarizer located in front of the prism in the direction of the controlled light pulses, and each output port containing a micro lens located after the prism, and the prisms, polarizers and micro lenses are centered optical system, the main axis of which is optically connected with the heterogeneity and parallel to the long face of the active element, characterized in that the electrical heterogeneity is made in the form of p and n layers that form the pn junction, and on the face containing the inhomogeneity, an antireflection coating and a dielectric coating are applied, covering the antireflection coating and the inhomogeneity region of the active element, while the polarizers are made in the form of polarizing prisms, the output prism is birefringent, as active element material selected n-CdTe.