RU208572U1

RU208572U1 - Photon Switch

Info

Publication number: RU208572U1
Application number: RU2021116534U
Authority: RU
Inventors: Никита Михайлович Толкач
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2021-12-24

Abstract

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники и касается фотонного коммутатора. Фотонный коммутатор включает в себя оптические проводники и расположенный между оптическими проводниками многослойный модулирующий элемент. Один из слоев модулирующего элемента выполнен из материала с фазовым переходом Ge2Sb2Te5, который при воздействии управляющего оптического сигнала принимает устойчивое фазовое состояние: аморфное или кристаллическое. Технический результат заключается в обеспечении возмозжности модулирования информационного оптического сигнала при его пропускании через модулирующий элемент и его коммутации между оптическими проводниками, а также в обеспечении диапазона изменения пропускательной способности от 85% до 3% и отражательной способности от 0% до 81%. 1 ил.The utility model relates to the fields of photonics and optoelectronics and concerns a photonic switch. The photonic switch includes optical conductors and a multilayer modulating element located between the optical conductors. One of the layers of the modulating element is made of a material with a Ge2Sb2Te5 phase transition, which, when exposed to a control optical signal, assumes a stable phase state: amorphous or crystalline. The technical result consists in providing the possibility of modulating an information optical signal when it is passed through a modulating element and switched between optical conductors, as well as in providing a range of change in transmission capacity from 85% to 3% and reflectivity from 0% to 81%. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к областям фотоники и оптоэлектроники и может быть использована при создании полностью информационных оптических систем для модуляции оптических сигналов или для коммутации информационных каналов, например, в волоконно-оптических линиях связи и в системах сети на чипе.The utility model relates to the fields of photonics and optoelectronics and can be used to create all-information optical systems for modulating optical signals or for switching information channels, for example, in fiber-optic communication lines and in network-on-a-chip systems.

Известен аналог, приведенный в патенте Китая 1993649 [1]. Он представляет из себя многослойной элемент для управления электромагнитными лучами. Элемент содержит материал с фазовым переходом в сочетании с диэлектрическим и другими слоями в многослойной оптической структуре. Материал с фазовым переходом, который обратимо трансформируется между двумя или более структурными состояниями, где различные структурные состояния различаются относительно показателя преломления и/или коэффициента экстинкции. Структурное состояние материала с фазовым переходом устанавливает состояние сдвига фазы волны для элемента, который определяет направление распространения выходного луча, создаваемого падающим электромагнитным лучом. В зависимости от структурного состояния элемент принимает одно из двух основных состояний сдвига фазы волны, и достигается возможность управления двоичным пучком, при которой падающий электромагнитный пучок может быть перенаправлен в любом из двух направлений. В предпочтительном варианте осуществления выходной луч представляет собой отраженный луч, а элемент содержит материал с фазовым переходом, расположенный между двумя диэлектрическими материалами и поддерживаемый металлическим слоем. Недостатком конструкции данного аналога является его отражающая конфигурация, из-за металлического слоя, прошедший сквозь элемент луч будет отражен. При этом отраженный от элемента луч также является отраженным. Таким образом, оба луча распространяются строго в одном направлении, их отличие состоит только в том, что они имеют разные значения сдвига фазы волны. В связи с чем, на выходе такой оптической системы необходимо будет также предусмотреть, чтобы эти лучи дополнительно были разделены в зависимости от их значений сдвига фазы волны. Такой подход может быть удобен для модуляции оптических сигналов, но для коммутации информационных каналов является труднореализуемым. Кроме того, отражательная способность такого элемента изменяется в диапазоне от 0 до 65%, при этом неучтенные 35% представляют собой оптические потери.Known analogue given in the Chinese patent 1993649 [1]. It is a multi-layer element for controlling electromagnetic beams. The element contains a phase change material combined with dielectric and other layers in a multilayer optical structure. A phase change material that transforms reversibly between two or more structural states, where different structural states differ with respect to refractive index and / or extinction coefficient. The structural state of the phase change material sets the phase shift state of the wave for the element, which determines the direction of propagation of the output beam generated by the incident electromagnetic beam. Depending on the structural state, the element assumes one of the two main states of the phase shift of the wave, and the possibility of controlling the binary beam is achieved, in which the incident electromagnetic beam can be redirected in either of the two directions. In a preferred embodiment, the output beam is a reflected beam and the element comprises a phase change material sandwiched between two dielectric materials and supported by a metal layer. The disadvantage of the design of this analogue is its reflective configuration, due to the metal layer, the beam passing through the element will be reflected. In this case, the ray reflected from the element is also reflected. Thus, both beams propagate strictly in the same direction, their only difference is that they have different values of the wave phase shift. In this connection, at the output of such an optical system, it will also be necessary to provide for these beams to be additionally separated depending on their values of the wave phase shift. This approach can be convenient for modulating optical signals, but it is difficult to implement for switching information channels. In addition, the reflectivity of such an element varies in the range from 0 to 65%, while the unaccounted for 35% represents optical loss.

Известен аналог, приведенный в международном патенте WO2017/046590 [2]. Он представляет собой фотонное устройство, содержащее: оптический волновод и модулирующий элемент, который эванесцентно связан с волноводом; при этом модулирующий элемент модифицирует характеристики пропускания, отражения или поглощения волновода в зависимости от его состояния, а состояние модулирующего элемента изменяется оптическим управляющим сигналом, переносимым волноводом или электрическим сигналом, который нагревает модулирующий элемент. Основной недостаток данного аналога связан с тем, что модулирующий элемент расположен поверх оптического проводника и не позволяет добиться высокой степени модуляции информационного оптического сигнала при изменении состояния модулирующего элемента. Модуляция информационного оптического сигнала достигается за счет поглощающих свойств модулирующего элемента и изменения пропускательной способности в диапазоне от 10 до 30%, при этом часть сигнала все же распространяется дальше по оптическому проводнику или поглощается, что ведет к потерям информационного оптического сигнала на уровне 70%. Недостатком этого аналога также является то, что он позволяет выполнять модуляцию информационного оптического сигнала только при его пропускании через оптический волновод, для выполнения модуляции при распространении информационного оптического сигнала в обратном направлении (при отражении) он не рассчитан.Known analogue given in international patent WO2017 / 046590 [2]. It is a photonic device containing: an optical waveguide and a modulating element, which is evanescently connected to the waveguide; the modulating element modifies the transmission, reflection or absorption characteristics of the waveguide depending on its state, and the state of the modulating element is changed by an optical control signal carried by the waveguide or an electrical signal that heats the modulating element. The main disadvantage of this analogue is associated with the fact that the modulating element is located over the optical conductor and does not allow achieving a high degree of modulation of the information optical signal when the state of the modulating element changes. Modulation of the information optical signal is achieved due to the absorbing properties of the modulating element and changes in the transmission capacity in the range from 10 to 30%, while part of the signal still propagates further along the optical conductor or is absorbed, which leads to losses of the information optical signal at a level of 70%. The disadvantage of this analogue is also that it allows modulation of the information optical signal only when it is passed through the optical waveguide; it is not calculated to perform modulation when the information optical signal propagates in the opposite direction (during reflection).

Аналогом-прототипом полезной модели является решение, приведенное в патенте РФ 201507U [3]. Данное решение представляет из себя фотонный модулятор, включающий оптический проводник, модулирующий элемент, который содержит материал с фазовым переходом, отличающийся тем, что модулирующий элемент расположен на торце оптического проводника и представляет собой многослойную структуру, состоящую, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом. Фотонный модулятор работает следующим образом: модулирующий элемент в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой из материала с фазовым переходом, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, поглощает информационный оптический сигнал или отражает информационный оптический сигнал назад в оптический проводник; фазовое состояние слоя из материала с фазовым переходом изменяется управляющим оптическим сигналом. При этом модуляция информационного оптического сигнала достигается за счет изменения поглощательной и отражательной способностей модулирующего элемента в диапазоне от 1 до 95%, пропускательная способность модулирующего элемента при этом не изменяется и составляет 4%, а потери информационного оптического сигнала составляют не более 5%. Недостатком аналога-прототипа является то, что он не способен выполнять модуляцию информационного оптического сигнала при его пропускании через модулирующий элемент.The analogue-prototype of the utility model is the solution given in the RF patent 201507U [3]. This solution is a photonic modulator that includes an optical conductor, a modulating element that contains a material with a phase transition, characterized in that the modulating element is located at the end of the optical conductor and is a multilayer structure consisting of at least five layers, one of which is a layer of material with a phase change. The photonic modulator works as follows: the modulating element, depending on the phase state in which the layer of material with a phase transition is located, changes its transmission, reflection and absorption characteristics, absorbs the information optical signal or reflects the information optical signal back into the optical conductor; the phase state of a layer made of a material with a phase transition is changed by a control optical signal. In this case, the modulation of the information optical signal is achieved by changing the absorption and reflectivity of the modulating element in the range from 1 to 95%, the transmission capacity of the modulating element does not change and is 4%, and the loss of the information optical signal is no more than 5%. The disadvantage of the prototype analog is that it is not capable of modulating the information optical signal when it is passed through the modulating element.

Расположение модулирующего элемента между оптическими проводниками, а также изменение параметров дополнительных слоев (толщин и материалов), входящих в многослойную структуру модулирующего элемента, позволяют скорректировать распространение электромагнитной волны в многослойной структуре и добиться модуляции информационного оптического сигнала не только при его отражении от модулирующего элемента, но и при его пропускании через модулирующий элемент. Выполнение модуляции при отражении и пропускании пространственно разделяет пути распространения информационного оптического сигнала, что позволяет также коммутировать его между оптическими проводниками.The location of the modulating element between the optical conductors, as well as changing the parameters of additional layers (thicknesses and materials) included in the multilayer structure of the modulating element, make it possible to correct the propagation of an electromagnetic wave in the multilayer structure and achieve modulation of the information optical signal not only when it is reflected from the modulating element, but and passing it through the modulating element. Modulation during reflection and transmission spatially separates the propagation paths of the information optical signal, which also allows it to be switched between optical conductors.

Анализ предшествующего уровня техники и возможностей, которые появляются при комбинировании их в одной системе, позволяет получить новый результат, а именно фотонный коммутатор - устройство для модуляции интенсивностью информационного оптического сигнала, которое имеет диапазоны изменения пропускательной способности от 85% до 3%, отражательной способности от 0% до 81% и в сравнении с аналогом - прототипом позволяет модулировать информационный оптический сигнал при его пропускании через модулирующий элемент, а также коммутировать его между оптическими проводниками.An analysis of the prior art and the possibilities that appear when combining them in one system allows one to obtain a new result, namely a photon switch - a device for modulating the intensity of an information optical signal, which has ranges of change in transmission capacity from 85% to 3%, reflectivity from 0% to 81% and in comparison with the analogue - the prototype allows modulating the information optical signal when passing it through the modulating element, as well as switching it between the optical conductors.

Заявленная полезная модель направлена на решение технической задачи по расширению функциональных возможностей - выполнению одновременной модуляции информационного оптического сигнала при его отражении от модулирующего элемента и пропускании через него и коммутации информационного оптического сигнала между оптическими проводниками.The claimed utility model is aimed at solving the technical problem of expanding the functionality - performing simultaneous modulation of the information optical signal when it is reflected from the modulating element and passing through it and switching the information optical signal between the optical conductors.

Это достигается тем, что фотонный коммутатор включает в себя оптические проводники, расположенный между оптическими проводниками модулирующий элемент - многослойная структура, состоящая, как минимум, из пяти слоев, один из которых является слоем из материала с фазовым переходом, отличается от аналога-прототипа тем, что материал с фазовым переходом представляет собой материал с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅, который при воздействии управляющего оптического сигнала принимает устойчивое фазовое состояние: аморфное или кристаллическое.This is achieved by the fact that the photonic switch includes optical conductors, a modulating element located between the optical conductors - a multilayer structure consisting of at least five layers, one of which is a layer of material with a phase transition, differs from the analog prototype in that that a material with a phase transition is a material with a phase transition Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ , which, when exposed to a control optical signal, takes on a stable phase state: amorphous or crystalline.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.These features are essential and interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the specified technical result.

На чертеже фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства. Она содержит:In the drawing, FIG. 1 shows a diagram of the proposed device. It contains:

1,2- оптические проводники;1,2- optical conductors;

3 - модулирующий элемент;3 - modulating element;

4 - слой из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅;4 - a layer of material with a Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ phase transition;

5 - информационный оптический сигнал;5 - information optical signal;

6 - управляющий оптический сигнал;6 - control optical signal;

7 - преобразованный информационный оптический сигнал при пропускании через модулирующий элемент;7 - converted information optical signal when passing through the modulating element;

8 - преобразованный информационный оптический сигнал при отражении от модулирующего элемента.8 - converted information optical signal when reflected from the modulating element.

Устройство работает следующим образом: модулирующий элемент 3 в зависимости от фазового состояния, в котором находится слой 4 из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅, изменяет свои характеристики пропускания, отражения и поглощения, пропускает информационный оптический сигнал 5 из оптического проводника 1 в 2, преобразуя сигнал 5 в сигнал 7, или отражает информационный оптический сигнал 5 назад в оптический проводник 1, преобразуя сигнал 5 в сигнал 8; фазовое состояние слоя из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅ 4 изменяется управляющим оптическим сигналом 6.The device works as follows: the modulating element 3, depending on the phase state in which the layer 4 of the material with the Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ phase transition is located, changes its transmission, reflection and absorption characteristics, passes the information optical signal 5 from the optical conductor 1 to 2, converting the signal 5 into a signal 7, or reflects the information optical signal 5 back into the optical conductor 1, converting the signal 5 into a signal 8; the phase state of the layer made of material with the Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ 4 phase transition is changed by the control optical signal 6.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by a specific example, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result by the given set of features.

В качестве примера рассматривается фотонный коммутатор, в котором оптические проводники 1 и 2 состоят из кварцевого стекла Si0₂, модулирующий элемент 3 состоит из пяти слоев: 112 нм Si, 157 нм Si0₂, 36 нм слой 4 из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅, 157 нм Si0₂, 111 нм Si.As an example the photonic switch, wherein the optical conductors 1 and 2 composed of quartz glass Si0 _2, modulating element 3 consists of five layers: a 112 nm Si, 157 nm Si0 _2, 36 nm layer 4 of the phase change material Ge ₂ Sb ₂ Te _5, Si0 ₂ 157 nm, 111 nm Si.

В качестве информационного оптического сигнала 5 используется излучение с длиной волны 1550 нм. В качестве управляющего оптического сигнала 6 используется излучение с длиной волны 650 нм.As the information optical signal 5, radiation with a wavelength of 1550 nm is used. As the control optical signal 6, radiation with a wavelength of 650 nm is used.

В данном примере в качестве материала с фазовым переходом используется Ge₂Sb₂Te₅. Слой 4 из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅ при воздействии импульсов управляющего оптического сигнала 6 принимает два устойчивых фазовых состояния: аморфное и кристаллическое. Материалу Ge₂Sb₂Te₅ с данными фазовыми состояниями соответствуют следующие значения комплексного показателя преломления для излучений с длинами волн: для 1550 нм в аморфном фазовом состоянии nk=3,8+0,06i, в кристаллическом фазовом состоянии nk=6,3+1,2i; для 650 нм в аморфном фазовом состоянии nk=4+1,4i, в кристаллическом фазовом состоянии nk=4+3,8i. _{In this example, Ge 2} Sb ₂ Te _{5 is} used as the phase change material. Layer 4 of a material with a Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ phase transition, when exposed to pulses of the control optical signal 6, takes on two stable phase states: amorphous and crystalline. The Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ material with these phase states corresponds to the following values of the complex refractive index for radiation with wavelengths: for 1550 nm in the amorphous phase state nk = 3.8 + 0.06i, in the crystalline phase state nk = 6.3 + 1.2i; for 650 nm in the amorphous phase state nk = 4 + 1.4i, in the crystalline phase state nk = 4 + 3.8i.

Воздействие импульса управляющего оптического сигнала 6 с длиной волны излучения 650 нм приводит к поглощению излучения слоем 4 из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅, что при определенных значениях интенсивности и длительности импульса приводит к фазовому переходу от аморфного к кристаллическому фазовому состоянию или наоборот.Exposure to a pulse of a control optical signal 6 with a radiation wavelength of 650 nm leads to absorption of radiation by layer 4 of a material with a Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ phase transition, which, at certain values of the intensity and pulse duration, leads to a phase transition from an amorphous to a crystalline phase state or vice versa. ...

Значения комплексного показателя преломления nk равны: для излучения с длиной волны 1550 нм для оптического проводника 1 из SiO₂ и слоев модулирующего элемента 3 из SiO₂ nk=1,44, для слоев модулирующего элемента 3 из Si nk=3,47; для излучения с длиной волны 650 нм для оптического проводника 1 из SiO₂ и слоев модулирующего элемента 3 из SiO₂nk=1,46, для слоев модулирующего элемента 3 из Si nk=3,85+0,002i.The values of the complex refractive index nk are: for radiation with a wavelength of 1550 nm for an optical conductor 1 made of SiO ₂ and layers of a modulating element 3 made of SiO ₂ nk = 1.44, for layers of a modulating element 3 made of Si nk = 3.47; for radiation with a wavelength of 650 nm for an optical conductor 1 made of SiO ₂ and layers of a modulating element 3 made of SiO ₂ nk = 1.46, for layers of a modulating element 3 made of Si nk = 3.85 + 0.002i.

Расчет отражательной и поглощательной способностей модулирующего элемента 3 при изменении значения комплексного показателя преломления nk (nk=n+i⋅k, где n - показатель преломления, k - коэффициент экстинкции) слоя 4 из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅ от значения nk в аморфном состояния к значению nk в кристаллическом состоянии в соответствии с рекуррентными выражениями Френеля-Эйри для многослойной структуры для нормально падающего излучения показал следующие результаты.Calculation of the reflectivity and absorption capacity of the modulating element 3 with a change in the value of the complex refractive index nk (nk = n + i⋅k, where n is the refractive index, k is the extinction coefficient) of layer 4 from a material with a Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ phase transition from the value nk in the amorphous state to the value of nk in the crystalline state in accordance with the Fresnel-Airy recursive expressions for a multilayer structure for normally incident radiation showed the following results.

В аморфном состоянии при nk=3,8+0,06i, отражательная способность равна 0, а пропускательная 85%, что соответствует пропусканию информационного оптического сигнала 5 через модулирующий элемент 3, логическому «О» для сигнала 7 и логической «1» для сигнала 8. Соответственно интенсивность сигнала 8 составит 85% от исходного информационного оптического сигнала 5. Оставшиеся 15% будут поглощены слоем из фазового материала в связи с неидеальностью его характеристик. Стоит отметить, что при нулевом значении коэффициента экстинкции к поглощения не будет, а информационный сигнал будет полностью пропущен.In the amorphous state at nk = 3.8 + 0.06i, the reflectivity is 0, and the transmittance is 85%, which corresponds to the transmission of the information optical signal 5 through the modulating element 3, logical "O" for signal 7 and logical "1" for signal 8. Accordingly, the intensity of signal 8 will be 85% of the original information optical signal 5. The remaining 15% will be absorbed by a layer of phase material due to the imperfection of its characteristics. It should be noted that at a zero value of the extinction coefficient there will be no absorption, and the information signal will be completely missed.

В кристаллическом состоянии при nk=6,3+1,21, отражательная способность равна 81%, а пропускательная 3%, что соответствует отражению информационного оптического сигнала 5 от модулирующего элемента, логической «1» для сигнала 7 и логическому «0» для сигнала 8. Соответственно интенсивность сигнала 7 составит 81% от исходного информационного оптического сигнала 5. Оставшиеся 16% будут поглощены слоем 4 из материала с фазовым переходом Ge₂Sb₂Te₅ в связи с неидеальностью его характеристик. Стоит отметить, что при нулевом значении коэффициента экстинкции к поглощения не будет, а информационный оптический сигнал будет почти полностью отражен. Нежелательные 3% пропускания связаны с неидеальностью значения показателя преломления n слоя из материала с фазовым переходом в кристаллическом состоянии. Стоит отметить, что при больших значениях показателя преломления n слоя 4 в кристаллическом состоянии можно добиться 0% пропускания.In the crystalline state at nk = 6.3 + 1.21, the reflectance is 81%, and the transmittance is 3%, which corresponds to the reflection of the information optical signal 5 from the modulating element, logical "1" for signal 7 and logical "0" for signal 8. Accordingly, the intensity of signal 7 will amount to 81% of the initial information optical signal 5. The remaining 16% will be absorbed by layer 4 of material with the Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ phase transition due to imperfect characteristics. It should be noted that at a zero value of the extinction coefficient there will be no absorption, and the information optical signal will be almost completely reflected. The undesirable 3% transmission is associated with the imperfect value of the refractive index n of the layer made of a material with a phase transition in the crystalline state. It should be noted that at high values of the refractive index n of layer 4 in the crystalline state, 0% transmission can be achieved.

Настоящая полезная модель промышленно применима, т.к. может быть использована при создании оптических коммутирующих устройств и реализована с использованием тонкопленочных, планарных и оптоволоконных технологий.This utility model is industrially applicable because can be used to create optical switching devices and implemented using thin-film, planar and fiber-optic technologies.

Источники информацииSources of information

[1] Патент Китая CN 100437321.[1] China Patent CN 100437321.

[2] Международный патент WO 2017/046590.[2] International patent WO 2017/046590.

[3] Патент России RU 201507 U1.[3] Patent of Russia RU 201507 U1.

Claims

A photonic switch including optical conductors, a modulating element located between the optical conductors is a multilayer structure consisting of at least five layers, one of which is a layer of a material with a phase change, characterized in that the material with a phase change is a material with a phase transition Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ , which, when exposed to a control optical signal, takes on a stable phase state: amorphous or crystalline.