RU179015U1

RU179015U1 - PHOTON SWITCH CELL

Info

Publication number: RU179015U1
Application number: RU2017128161U
Authority: RU
Inventors: Елизавета Александровна Барабанова; Константин Анатольевич Вытовтов; Игорь Олегович Барабанов; Наталия Сергеевна Мальцева
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2018-04-25

Abstract

Полезная модель относится к области связи, оптической коммутации и передачи сигналов, в частности к фотонным коммутационным ячейкам. Фотонная коммутационная ячейка, имеющая дополнительно два входа и два выхода, состоит из буферного устройства и элемента коммутации, основным элементом буферного устройства является интегральная линия задержки, а основным элементом коммутационного элемента является многослойное диэлектрическое селективное зеркало на основе оптически прозрачного феррита и кварца, вход которой соединен с фильтром Брэгга, частотное разделение информационного и управляющего сигналов осуществляется фильтром Брэгга на основе изотропной многослойной структуры с низкой частотной дисперсией, преобразование частоты управляющего сигнала в управляющее электрическое поле осуществляется с помощью частотного детектора и схемы формирования управляющего поля. Технический результат заключается в повышении точности, достоверности и скорости передачи информации. 5 ил.The utility model relates to the field of communication, optical switching and signal transmission, in particular to photon switching cells. The photon switching cell, which has two additional inputs and two outputs, consists of a buffer device and a switching element, the main element of the buffer device is an integral delay line, and the main element of the switching element is a multilayer dielectric selective mirror based on optically transparent ferrite and quartz, the input of which is connected with a Bragg filter, the frequency separation of information and control signals is carried out by a Bragg filter based on an isotropic multilayer with ruktury low frequency dispersion, frequency conversion control signal to control the electric field by means of the frequency detector circuit and generating a control field. The technical result consists in increasing the accuracy, reliability and speed of information transfer. 5 ill.

Description

Полезная модель относится к области связи, оптической коммутации и передачи сигналов, в частности к фотонным коммутационным ячейкам.The utility model relates to the field of communication, optical switching and signal transmission, in particular to photon switching cells.

Известен нелинейный перестраиваемый металло-сегнетоэлектрический фотонный кристалл, содержащий подложку, на поверхность которой нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, слабо поглощающий световую энергию на длине волне используемого излучения и на длине волны, на поверхность которой со стороны падения светового излучения от источника излучения нанесен нелинейно-оптический пленочный материал, на котором закреплена дифракционная решетка из меди, при этом фотонный кристалл выполнен двумерным (Патент RU №2341817, 2008 г.).A nonlinear tunable metal-ferroelectric photonic crystal is known that contains a substrate on the surface of which a nonlinear optical film material is applied, weakly absorbing light energy at the wavelength of the radiation used and at a wavelength on the surface of which, from the side of incidence of light radiation from the radiation source, nonlinearly an optical film material on which a diffraction grating of copper is fixed, while the photonic crystal is made two-dimensional (Patent RU No. 2341817, 2008).

Недостатком устройства является наличие только двух выходов у элемента коммутации, что усложняет общую схему построения коммутационной системы. Кроме того в устройстве используется вторая гармоника, что приводит к возникновению нелинейных помех, снижению мощности сигнала и увеличению вероятности возникновения ошибок коммутации.The disadvantage of this device is the presence of only two outputs of the switching element, which complicates the general scheme of building a switching system. In addition, the second harmonic is used in the device, which leads to the occurrence of nonlinear interference, a decrease in the signal power, and an increase in the probability of switching errors.

Наиболее близким, принятым за прототип устройством является оптический коммутационный элемент на основе многослойного диэлектрического селективного зеркала с включением компонента из сегнетоэлектрика, изменяющего под действием внешнего электрического поля коэффициент преломления (Патент RU №2456648, 2012).The closest adopted for the prototype device is an optical switching element based on a multilayer dielectric selective mirror with the inclusion of a component of a ferroelectric that changes the refractive index under the influence of an external electric field (Patent RU No. 2456648, 2012).

Однако в известном устройстве в качестве элемента коммутации используется структура на основе сегнетоэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, что увеличивает потери мощности сигнала, а значит, уменьшает точность и достоверность передачи информации, наличие только двух входов и двух выходов у прототипа усложняет структурную схему коммутационной системы, и технологический процесс ее производства.However, in the known device, a structure based on a ferroelectric with a high dielectric constant is used as a switching element, which increases the signal power loss and, therefore, reduces the accuracy and reliability of information transfer, the presence of only two inputs and two outputs of the prototype complicates the structural diagram of the switching system, and technological process of its production.

Техническая задача - расширение функциональных возможностей коммутационной системы за счет увеличения числа выходов коммутационной ячейки, их пространственного разнесения и упрощения цепей управления.The technical task is to expand the functionality of the switching system by increasing the number of outputs of the switching cell, their spatial diversity and simplification of control circuits.

Технический результат - повышение точности, достоверности и скорости передачи информации путем усовершенствования конструкции фотонной коммутационной ячейки.The technical result is to increase the accuracy, reliability and speed of information transfer by improving the design of the photon switching cell.

Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем оптический трансформатор и многослойное диэлектрическое селективное зеркало, многослойное диэлектрическое селективное зеркало выполнено на основе оптически прозрачного иттриевого феррита-граната и кварцевого стекла, задняя стенка зеркала покрыта абсолютно отражающим материалом и в местах падения прямых лучей имеет неоднородную поверхность, зеркало дополнительно имеет два пространственно разнесенных входа и выхода, на входе в коммутационную ячейку установлено буферное устройство, имеющее четыре интегральных линии задержки на оптически прозрачном материале, выходы которых соединены с входами оптического трансформатора, за оптическим трансформатором установлен амплитудный ограничитель, вход которого соединен с выходом оптического трансформатора, при этом на входе в элемент коммутации установлен фильтр Брэгга, осуществляющий частотное и пространственное разделение информационного и управляющего сигналов, выход которого соединен с входом частотного детектора, установленного в элементе коммутации, выход которого соединен с входом формирователя управляющего сигнала, установленного в элементе коммутации, выход формирователя управляющего сигнала соединен с одним входом многослойного диэлектрического селективного зеркала, а другой вход зеркала соединен с выходом фильтра Брэгга.It is achieved by the fact that in the known device comprising an optical transformer and a multilayer dielectric selective mirror, the multilayer dielectric selective mirror is made on the basis of optically transparent yttrium ferrite garnet and quartz glass, the rear wall of the mirror is covered with absolutely reflective material and in the places of direct rays incidence has an inhomogeneous the surface, the mirror additionally has two spatially separated entrances and exits, a buffer unit is installed at the entrance to the switching cell The device has four integrated delay lines on an optically transparent material, the outputs of which are connected to the inputs of the optical transformer, an optical limiter is installed behind the optical transformer, the input of which is connected to the output of the optical transformer, while a Bragg filter is installed at the input of the switching element, which carries out frequency and spatial separation of information and control signals, the output of which is connected to the input of the frequency detector installed in the switching element, you od is connected to the input of the control signal is set in the switching element, the output of the control signal generator is connected to one input of a selective multilayer dielectric mirror, the mirror and the other input connected to the output of the Bragg filter.

Предлагаемое устройство схематично изображено на чертеже (фиг. 1 - схематическое изображение фотонной коммутационной ячейки, фиг. 2 - многослойное диэлектрическое селективное зеркало с пространственно разнесенными входами и выходами, вид в разрезе, фиг. 3 - график амплитудно-частотной характеристики пластины частотного детектора, фиг. 4 - график зависимости материальных параметров отклоняющей структуры (магнитная проницаемость μ) от величины управляющего магнитного поля, фиг. 5 - график амплитудно-частотной характеристики селективной пространственно-отклоняющей пластины.The proposed device is schematically shown in the drawing (Fig. 1 is a schematic representation of a photon switching cell, Fig. 2 is a multilayer dielectric selective mirror with spatially spaced inputs and outputs, a sectional view, Fig. 3 is a graph of the amplitude-frequency characteristic of a frequency detector plate, Fig. 4 is a graph of the dependence of the material parameters of the deflecting structure (magnetic permeability μ) on the magnitude of the control magnetic field, and Fig. 5 is a graph of the amplitude-frequency characteristics of the selective transno-deflecting plate.

Устройство имеет элемент коммутации 1 и буферное устройство 2, содержащее четыре линии задержки 3-6 на оптически прозрачном материале, расположенные на четырех входах 7-10 фотонной коммутационной ячейки, выходы линий задержек 3-6 соединены с входами оптического трансформатора 11, выход которого соединен с входом амплитудного ограничителя 12, выход которого соединен с входом фильтра Брэгга 13, установленного на входе в элемент коммутации 1; фильтр Брэгга 13 выполнен на основе многослойной изотропной структуры с низкой частотной дисперсией, выход которого соединен со входом частотного детектора 14, установленного в элементе коммутации, выход которого соединен со входом формирователя управляющего сигнала 15, установленного в элементе коммутации, выход которого соединен со входом многослойного диэлектрического селективного зеркала 16, представляющего собой многослойную анизотропную пластину с сильной частотной дисперсией и относительно малыми потерями на основе оптически прозрачного иттриевого феррита-граната и кварцевого стекла, оптические свойства которой зависят от величины управляющего сигнала, вход которого соединен с выходом фильтром Брэгга 13, при этом диэлектрическое зеркало 16 имеет четыре пространственно разнесенных выхода 17-20, задняя стенка диэлектрического зеркала 21 покрыта абсолютно отражающим слоем 22, например, золотом (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. - М: «Наука», 1973. - 713 с.) и в местах падения прямых лучей имеет неоднородную поверхность 23 (собирающее зеркало) для уменьшения расхождения отраженного луча, что уменьшает потери мощности. Пространственная координата выхода 17-20 луча соответствует определенному входу в следующий каскад коммутационной системы.The device has a switching element 1 and a buffer device 2, containing four delay lines 3-6 on optically transparent material located on the four inputs of 7-10 photon switching cells, the outputs of the delay lines 3-6 are connected to the inputs of the optical transformer 11, the output of which is connected to the input of the amplitude limiter 12, the output of which is connected to the input of the Bragg filter 13, installed at the input to the switching element 1; Bragg filter 13 is made on the basis of a multilayer isotropic structure with a low frequency dispersion, the output of which is connected to the input of the frequency detector 14 installed in the switching element, the output of which is connected to the input of the driver of the control signal 15 installed in the switching element, the output of which is connected to the input of the multilayer dielectric selective mirror 16, which is a multilayer anisotropic plate with a strong frequency dispersion and relatively low losses based on optically of transparent yttrium ferrite garnet and quartz glass, the optical properties of which depend on the magnitude of the control signal, the input of which is connected to the output by a Bragg filter 13, while the dielectric mirror 16 has four spatially separated outputs 17-20, the back wall of the dielectric mirror 21 is covered with an absolutely reflective layer 22, for example, in gold (M. Born, E. Wolf. Fundamentals of optics. - M: Nauka, 1973. - 713 p.) And in places where direct rays fall, it has an inhomogeneous surface 23 (collecting mirror) to reduce the discrepancy reflected th beam, which reduces power loss. The spatial coordinate of the output 17-20 of the beam corresponds to a specific entrance to the next stage of the switching system.

Устройство работает следующим образом. На один из входов фотонной коммутационной ячейки 7-10 поступает оптический пакет, состоящий из двух сигналов, разделенных по времени на различных длинах волн: информационный сигнал на длине волны λi и управляющий сигнал на длине волны λс. Информационный сигнал на длине λi несет полезную информацию, а управляющий сигнал на длине волны λс используется для настройки ячейки. Управляющая информация при этом заложена в одной из четырех длин волн сигнала. Сигналы со входов ячейки поступают на одну из линий задержки 3-6, что позволяет исключить одновременное поступление сигналов на один и тот же вход оптической ячейки. С выходов линий задержки сигнал поступает на оптический трансформатор 11, который производит пространственное совмещение световых лучей для их дальнейшей обработки. С выхода трансформатора 11 оптический сигнал поступает на амплитудный ограничитель 12, который ограничивает сигнал по амплитуде для исключения нелинейных искажений. С выхода амплитудного ограничителя 12 сигнал поступает на установленный в элементе коммутации 1 фильтр Брэгга 13 на основе неоднородного изотропного материала с низкой частотной дисперсией [Справочник технолога-оптика / Под ред. М.А. Окатова. - СПб: Политехника, 2004. - 679 с.], который осуществляет разделение информационного и управляющего сигнала. Слабая частотная дисперсия предотвращает возможное отклонение луча управляющего сигнала при изменении его длины волны. Отраженный информационный сигнал поступает на отклоняющую систему 16, представляющую собой многослойную анизотропную пластину с четвертьволновыми слоями, имеющими сильную частотную дисперсию и относительно малые потери на основе оптически прозрачного иттриевого феррита-граната и кварцевого стекла, при этом оптические свойства феррита зависят от величины управляющего сигнала, далее прошедший управляющий сигнал поступает на частотный детектор 14. Частотный оптический детектор 14 с распределенными параметрами собран на неоднородной изотропной пластине со слабой зависимостью материальных параметров от частоты [К. Vytovtov, L. Mospan, S. Zouhdi, "Optical Frequency Detector Based on Stratified Isotropic Slab," META’12, 3rd International Conference on Metamaterials, Photonic crystals and Plasmonics, Paris, France, 19-22 April, 2012.].The device operates as follows. An optical packet is received at one of the inputs of the photon switching cell 7-10, consisting of two signals separated by time at different wavelengths: an information signal at a wavelength λi and a control signal at a wavelength λс. An information signal at a length of λi carries useful information, and a control signal at a wavelength of λs is used to configure the cell. In this case, control information is embedded in one of the four signal wavelengths. The signals from the inputs of the cell are fed to one of the delay lines 3-6, which eliminates the simultaneous arrival of signals at the same input of the optical cell. From the outputs of the delay lines, the signal enters the optical transformer 11, which produces a spatial combination of light rays for their further processing. From the output of the transformer 11, the optical signal is fed to an amplitude limiter 12, which limits the signal in amplitude to eliminate non-linear distortion. From the output of the amplitude limiter 12, the signal is supplied to the Bragg filter 13 installed in the switching element 1 on the basis of an inhomogeneous isotropic material with a low frequency dispersion [Technological Optics Reference Book / Ed. M.A. Okatova. - St. Petersburg: Polytechnic, 2004. - 679 p.], Which carries out the separation of information and control signal. Weak frequency dispersion prevents a possible deviation of the beam of the control signal when changing its wavelength. The reflected information signal is fed to the deflection system 16, which is a multilayer anisotropic plate with quarter-wave layers having a strong frequency dispersion and relatively small losses based on optically transparent yttrium ferrite garnet and silica glass, while the optical properties of ferrite depend on the magnitude of the control signal, then the transmitted control signal is fed to the frequency detector 14. The frequency optical detector 14 with distributed parameters is assembled on an inhomogeneous spar plate with a weak dependence of material parameters on frequency [K. Vytovtov, L. Mospan, S. Zouhdi, "Optical Frequency Detector Based on Stratified Isotropic Slab," META’12, 3rd International Conference on Metamaterials, Photonic crystals and Plasmonics, Paris, France, April 19-22, 2012.].

На фиг. 3 показана амплитудно-частотная характеристика пластины частотного детектора 14, рабочим участком является интервал спада коэффициента отражения. Для улучшения линейных свойств устройства используется многослойная изотропная структура. Сигнал с выхода частотного детектора 14, имеющий частотную и амплитудную модуляцию, поступает на формирователь управляющего сигнала 15, который преобразует амплитуду оптического сигнала в амплитуду управляющего электрического поля, воздействие которого на отклоняющую систему 16 приводит к изменению ее материальных параметров.In FIG. 3 shows the amplitude-frequency characteristic of the plate of the frequency detector 14, the working section is the interval of decline of the reflection coefficient. To improve the linear properties of the device, a multilayer isotropic structure is used. The signal from the output of the frequency detector 14, having frequency and amplitude modulation, is fed to the driver of the control signal 15, which converts the amplitude of the optical signal into the amplitude of the control electric field, the impact of which on the deflecting system 16 leads to a change in its material parameters.

На фиг. 4 показана зависимость материальных параметров отклоняющей структуры (магнитной проницаемости μ) от величины управляющего магнитного поля. Изменение магнитной проницаемости приводит к изменению угла отклонения информационного луча. Использование иттриевого феррита-граната с магнитной проницаемостью в рабочем диапазоне до 30 и коэффициентом поглощения до 10 увеличивает пространственное разнесение информационных сигналов до 3,5 градусов и уменьшает потери мощности сигнала [см. Кринчик Г.С., Четкий М.В. Прозрачные ферромагнетики. / Успехи физических наук, 1969, с. 1-25].In FIG. Figure 4 shows the dependence of the material parameters of the deflecting structure (magnetic permeability μ) on the magnitude of the control magnetic field. The change in magnetic permeability leads to a change in the angle of deviation of the information beam. The use of yttrium ferrite garnet with a magnetic permeability in the operating range of up to 30 and an absorption coefficient of up to 10 increases the spatial separation of information signals to 3.5 degrees and reduces signal power loss [see Krinchik G.S., Clear M.V. Transparent ferromagnets. / Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1969, p. 1-25].

На фиг. 5 показана амплитудно-частотная характеристика селективной пространственно-отклоняющей пластины при угле падения 30 градусов. Коэффициент отражения в рабочем диапазоне длин волн составляет 0.98, коэффициент неоднородности характеристики пренебрежимо мал. Это обеспечивает снижение потерь и искажений сигнала.In FIG. 5 shows the amplitude-frequency response of a selective spatially-deflecting plate at an angle of incidence of 30 degrees. The reflection coefficient in the operating wavelength range is 0.98, and the coefficient of heterogeneity of the characteristic is negligible. This provides a reduction in signal loss and distortion.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность и достоверность передаваемой информации за счет уменьшения уровня помех, что обеспечивается использованием линейных участков характеристик материалов и использованием в качестве переключающего элемента отклоняющей структуры на основе оптически прозрачного иттриевого феррита-граната и кварцевого стекла, и использования в местах падения прямых лучей неоднородной поверхности (собирающего зеркала) для уменьшения расхождения отраженного луча, увеличить скорость передачи информации за счет упрощения схемы управляющих цепей и увеличения числа входов и выходов ячейки.Thus, the proposed device can improve the accuracy and reliability of the transmitted information by reducing the level of interference, which is ensured by using linear sections of the characteristics of materials and using a deflecting structure based on optically transparent yttrium ferrite garnet and silica glass as a switching element, and use in places of incidence direct rays of an inhomogeneous surface (collecting mirror) to reduce the divergence of the reflected beam, increase the speed of Aci information by simplifying the circuit and control circuits to increase the number of inputs and outputs of the cell.

Claims

A photon switching cell containing an optical transformer and a multilayer dielectric selective mirror, characterized in that the multilayer dielectric selective mirror is made on the basis of optically transparent yttrium ferrite garnet and quartz glass, the rear wall of the mirror is coated with absolutely reflective material and has a non-uniform surface in the places of direct rays incidence , the mirror additionally has two spatially separated entrances and exits, a buffer is installed at the entrance to the switching cell The device has four integrated delay lines on an optically transparent material, the outputs of which are connected to the inputs of the optical transformer, an optical limiter is installed behind the optical transformer, the input of which is connected to the output of the optical transformer, and a Bragg filter is installed at the input to the switching element spatial separation of information and control signals, the output of which is connected to the input of the frequency detector installed in the switching element whose output is connected to the input of the driver of the control signal installed in the switching element, the output of the driver of the control signal is connected to one input of a multilayer dielectric selective mirror, and the other input of the mirror is connected to the output of the Bragg filter.