RU2234723C2 - Method for spectral-selective conversion of modes of optical irradiation in wave-guide and apparatus for performing the same - Google Patents
Method for spectral-selective conversion of modes of optical irradiation in wave-guide and apparatus for performing the same Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234723C2 RU2234723C2 RU2001129491/28A RU2001129491A RU2234723C2 RU 2234723 C2 RU2234723 C2 RU 2234723C2 RU 2001129491/28 A RU2001129491/28 A RU 2001129491/28A RU 2001129491 A RU2001129491 A RU 2001129491A RU 2234723 C2 RU2234723 C2 RU 2234723C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- clc
- modes
- axis
- propagation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/011—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass
- G02F1/0115—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass in optical fibres
- G02F1/0118—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass in optical fibres by controlling the evanescent coupling of light from a fibre into an active, e.g. electro-optic, overlay
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
- G02F1/13718—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on a change of the texture state of a cholesteric liquid crystal
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волноводной оптике, к устройствам управления параметрами электромагнитного излучения, распространяющегося в волноводе.The invention relates to waveguide optics, to devices for controlling the parameters of electromagnetic radiation propagating in the waveguide.
В простейшем случае диэлектрический волновод состоит из сердцевины и оболочки, причем показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки /1, 2/. Свойства волновода слабо изменяются вдоль одного или двух пространственных направлений для линейных и планарных волноводов, соответственно. Эти направления называются осями (осью) волновода. Если свет падает под достаточно пологим углом на границу раздела оболочки и сердцевины из последней, то происходит полное внутреннее отражение света, удерживающее его вблизи сердцевины. Благодаря этому в оптическом волноводе могут распространяться одна или несколько волноводных мод излучения, которые локализованы вблизи сердцевины волновода (на расстоянии порядка длины волны) и не излучаются вовне.In the simplest case, the dielectric waveguide consists of a core and a cladding, and the refractive index of the core is greater than the refractive index of the cladding / 1, 2 /. The properties of the waveguide vary slightly along one or two spatial directions for linear and planar waveguides, respectively. These directions are called the axes (axis) of the waveguide. If the light falls at a fairly gentle angle to the interface between the shell and the core of the latter, then there is a complete internal reflection of the light, holding it near the core. Due to this, one or several waveguide modes of radiation can be propagated in the optical waveguide, which are localized near the core of the waveguide (at a distance of the order of the wavelength) and are not radiated outward.
Каждая мода характеризуется гармонической зависимостью от времени t и пространственной координаты z вдоль оси волновода. Для волноводной моды гармоническая зависимость вектора электрического поля от этих переменных выражается формулойEach mode is characterized by a harmonic dependence on time t and the spatial coordinate z along the axis of the waveguide. For the waveguide mode, the harmonic dependence of the electric field vector from these variables is expressed by the formula
где β - постоянная распространения моды, ω - циклическая частота, j обозначает мнимую единицу. Вместо циклической частоты ω используются также однозначно связанные с ней обычная частота ν=ω/2π, волновое число в свободном пространстве k=ω/c и длина волны в свободном пространстве λ=2π/k=2πc/ω. Поэтому, когда говорят о длине волны волноводной моды, это обычно означает длину волны λ в свободном пространстве, вычисленную из частоты моды по приведенной формуле, в то время как пространственная периодичность моды вдоль оси волновода характеризуется постоянной распространения β /1, 2/.where β is the mode propagation constant, ω is the cyclic frequency, j is the imaginary unit. Instead of the cyclic frequency ω, the usual frequency ν = ω / 2π, the wave number in free space k = ω / c and the wavelength in free space λ = 2π / k = 2πc / ω are also uniquely associated with it. Therefore, when one speaks of the wavelength of the waveguide mode, this usually means the wavelength λ in free space calculated from the mode frequency according to the above formula, while the spatial periodicity of the mode along the waveguide axis is characterized by the propagation constant β / 1, 2 /.
Частота ω и постоянная распространения β волноводной моды связаны т.н. дисперсионным уравнением /2/, зависящим от типа моды, а также от геометрии и оптических свойств волновода, которое в общем случае не имеет явного решения.The frequency ω and the propagation constant β of the waveguide mode are related the dispersion equation / 2 /, depending on the type of mode, as well as on the geometry and optical properties of the waveguide, which in the general case has no explicit solution.
В частности, в двухслойном цилиндрическом оптоволокне, с показателями преломления сердцевины и оболочки n1 и n2 соответственно, при достаточно низких частотах (если параметр волновода , где а - радиус сердцевины) существует единственная мода, обозначаемая НЕ11 /1, 2/, которая при одинаковых значениях β и ω может обладать двумя различными круговыми поляризациями - правой и левой. В случае, когда волокно слабонаправляющее, то есть если n1-n2<<1, приближенное решение дисперсионного уравнения дает зависимость k≈β/n1.In particular, in a two-layer cylindrical optical fiber, with the refractive indices of the core and clad n 1 and n 2, respectively, at sufficiently low frequencies (if the waveguide parameter Where a - radius of the core) there is a unique fashion, denoted
Если оптоволокно строго однородно вдоль оси, то различные моды распространяются независимо, не переходя одна в другую. В случае, когда однородность волокна вдоль оси нарушена, различные волноводные моды, отличающиеся частотой, постоянной распространения или поляризацией, могут переходить одна в другую. Этот общий принцип широко используется для управления излучением, распространяющимся по оптоволокну. В частности, если однородность показателя преломления оптоволокна изменяется периодически вдоль его оси, это приводит к частотно-избирательной резонансной связи распространяющихся мод излучения. Связь двух мод излучения означает, что при введении в волновод одной моды она, по крайней мере, частично преобразовывается в другую. Для связи между волноводными модами необходимо, чтобы временные частоты этих мод совпадали, что предполагается всюду ниже. Связь между модами осуществляется при условии равенства периода биений между модами и периода изменений показателя преломления. Именно, если постоянная распространения одной моды есть β1, а второй моды β2, то резонансная связь между модами обеспечивается при выполнении соотношения /2/If the optical fiber is strictly uniform along the axis, then the various modes propagate independently, without passing one into another. In the case when the uniformity of the fiber along the axis is violated, various waveguide modes that differ in frequency, propagation constant, or polarization can pass one into another. This general principle is widely used to control radiation propagating through optical fiber. In particular, if the uniformity of the refractive index of the optical fiber varies periodically along its axis, this leads to frequency-selective resonance coupling of the propagating radiation modes. The connection of the two radiation modes means that when one mode is introduced into the waveguide, it is at least partially converted to another. For the coupling between the waveguide modes, it is necessary that the temporal frequencies of these modes coincide, which is assumed everywhere below. The connection between modes is subject to the equality of the beat period between the modes and the period of changes in the refractive index. Namely, if the propagation constant of one mode is β 1 , and of the second mode β 2 , then the resonant coupling between the modes is ensured when the relation / 2 /
где Λ есть период изменения показателя преломления вдоль оси волокна. Так как постоянные взаимодействия зависят от частоты э/м колебаний ν различным образом, то условие взаимодействия (1) можно рассматривать как уравнение, накладываемое на частоту ν при фиксированном типе волноводных мод. Это уравнение в общем случае выполняется лишь для конечного набора частот ν1,...,νN. Это значит, что если в отрезок с Λ-периодически изменяющимся показателем преломления вводить одну из волноводных мод, плавно изменяя ее частоту, то эффективное взаимодействие мод будет происходить лишь вблизи частот ν1,...,νN. Изменяя Λ, можно перестраивать этот набор частот.where Λ is the period of change of the refractive index along the fiber axis. Since the constant interactions depend on the frequency of the e / m oscillations ν in various ways, the interaction condition (1) can be considered as an equation imposed on the frequency ν for a fixed type of waveguide modes. This equation in the general case holds only for a finite set of frequencies ν 1 , ..., ν N. This means that if one of the waveguide modes is introduced into a segment with an Λ-periodically changing refractive index, smoothly changing its frequency, then the effective interaction of the modes will occur only near the frequencies ν 1 , ..., ν N. By changing Λ, we can rearrange this set of frequencies.
Одним из важнейших применений резонансной связи мод является связь между модами, распространяющимися в противоположных направлениях, то есть спектрально-селективное отражение излучения в оптоволокне. В этом случае постоянные распространения равны по величине и противоположны по знаку, β1=-β2, и формула (1) принимает видOne of the most important applications of resonant mode coupling is the coupling between modes propagating in opposite directions, that is, spectrally selective reflection of radiation in an optical fiber. In this case, the propagation constants are equal in magnitude and opposite in sign, β 1 = -β 2 , and formula (1) takes the form
Последняя формула совпадает с известным условием Брэгга-Вульфа /3/ для длины волны, отражаемой плоской слоистой структурой, при нормальном падении. Соответственно отрезки волокна с периодическим вдоль оси изменением показателя преломления, с периодом Λ, равным π/β, в литературе называются оптоволоконными решетками Брэгга (Fiber Bragg Grating) /4-9/. Если же с помощью периодических изменений показателя преломления в волокне реализована связь однонаправленных мод, то период изменения показателя преломления заведомо превышает длину волны 2π/β и такие устройства называются длиннопериодными оптоволоконными решетками Брэгга (Long-Period Fiber Bragg Grating) /10, 11/.The last formula coincides with the well-known Bragg-Wulf condition / 3 / for the wavelength reflected by a flat layered structure at normal incidence. Correspondingly, fiber segments with a periodic change in the refractive index along the axis, with a period Λ equal to π / β, in the literature are called Fiber Bragg Grating / 4-9 /. If, by means of periodic changes in the refractive index, unidirectional modes are coupled in the fiber, then the period of change of the refractive index obviously exceeds the wavelength 2π / β and such devices are called Long-Period Fiber Bragg Grating / 10, 11 /.
Известен способ спектрально-селективной связи волноводных мод электромагнитного излучения, распространяющихся в противоположном направлении в диэлектрическом волноводе, в результате которого достигается их частичное отражение. Способ состоит в том, что в отрезке волновода под действием внешнего излучения обеспечивается периодическое вдоль оси волновода изменение показателя преломления вещества сердцевины волновода с периодом Λ, что приводит к частичному отражению в обратном направлении волноводных мод с постоянной распространения /4, 6/. Обычно периодическое вдоль оси изменение показателя преломления предварительно формируется в сердцевине оптоволокна из плавленого кварца, легированной бором и германием, с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения /5, 7-9/. На оптоволокно воздействуют стоячей волной ультрафиолетового (УФ) излучения, что формирует области с повышенным показателем преломления в местах расположения пучностей стоячей волны. Изменения показателя преломления в веществе сердцевины волновода сохраняются после прекращения УФ воздействия. Управление длиной волны световой моды, отражаемой в обратном направлении, осуществляется за счет изменения периода неоднородности показателя преломления Λ путем растяжения/сжатия волновода вдоль его оси с помощью внешнего механического напряжения /12-16/, или через управление температурой вещества волновода /17, 18/, или посредством приложения магнитного поля к веществу волновода /19/.A known method of spectrally-selective coupling of waveguide modes of electromagnetic radiation propagating in the opposite direction in a dielectric waveguide, as a result of which their partial reflection is achieved. The method consists in the fact that in the segment of the waveguide under the action of external radiation, a change in the refractive index of the material of the core of the waveguide with a period Λ periodically along the axis of the waveguide is provided, which leads to partial reflection in the opposite direction of the waveguide modes with a propagation constant / 4, 6 /. Typically, a periodic change along the axis of the refractive index is preliminarily formed in the core of fused silica fiber doped with boron and germanium using intense ultraviolet radiation / 5, 7-9 /. The fiber is exposed to a standing wave of ultraviolet (UV) radiation, which forms regions with a high refractive index at the locations of the antinodes of the standing wave. Changes in the refractive index in the material of the core of the waveguide are maintained after the cessation of UV exposure. The wavelength of the light mode reflected in the opposite direction is controlled by changing the period of non-uniformity of the refractive index Λ by stretching / compressing the waveguide along its axis using external mechanical stress / 12-16 /, or by controlling the temperature of the material of the waveguide / 17, 18 / , or by applying a magnetic field to the material of the waveguide / 19 /.
Недостатком известного способа является малый диапазон изменения длины волны отраженного излучения (10-15 нм), а также высокая чувствительность к механическим воздействиям (например, для изменения центральной длины диапазона отражения на 1,5 нм достаточно растягивать кварцевое оптоволокно диаметром 150 мкм с силой 20 гр) и к изменению температуры волновода (0,01 нм/°С).The disadvantage of this method is the small range of variation of the wavelength of the reflected radiation (10-15 nm), as well as high sensitivity to mechanical stress (for example, to change the central length of the reflection range by 1.5 nm, it is sufficient to stretch a quartz fiber with a diameter of 150 μm with a force of 20 g ) and to a change in the temperature of the waveguide (0.01 nm / ° C).
Известно устройство для спектрально-селективного отражения световых волн, распространяющихся в оптоволокне (оптоволоконная решетка Брэгга). Оптоволоконная решетка Брэгга представляет собой отрезок оптоволокна, имеющего оболочку и сердцевину, причем сердцевина имеет периодически (с периодом решетки Λ) изменяющийся вдоль оси волокна показатель преломления /4, 6/. При этом центральной частоте спектрального диапазона отраженных волн соответствует длина волны λ, связанная с периодом решетки Λ соотношением , где n - показатель преломления сердцевины волокна. Спектральная ширина диапазона отраженных волн определяется амплитудой периодических изменений показателя преломления сердцевины волокна. Последняя, в свою очередь, фиксируется при изготовлении устройства, когда отрезок оптоволокна из плавленого кварца, легированного бором и германием, помещается в стоячую волну УФ излучения высокой интенсивности, что приводит к увеличению показателя преломления волокна в областях расположения пучностей стоячей УФ волны. Относительное изменение показателя преломления легированного кварца пропорционально интенсивности УФ излучения. Центральная частота спектральной полосы отраженных волн может регулироваться в сравнительно узком интервале за счет управления температурой решетки и связанной с ней термической деформацией (диапазон перестройки не более 1-2 нм для длины волны 1,5 мкм /17, 18/) или же путем механического натяжения и сжатия волокна вдоль его оси (диапазон перестройки 10-20 нм для длины волны 1,5 мкм /12, 16/).A device for spectrally selective reflection of light waves propagating in an optical fiber (Bragg optical fiber lattice) is known. The Bragg fiber optic lattice is a segment of an optical fiber having a shell and a core, and the core has a periodically (with a lattice period Λ) refractive index varying along the fiber axis / 4, 6 /. In this case, the center frequency of the spectral range of the reflected waves corresponds to the wavelength λ associated with the lattice period Λ by the relation where n is the refractive index of the fiber core. The spectral width of the range of reflected waves is determined by the amplitude of the periodic changes in the refractive index of the fiber core. The latter, in turn, is fixed during the manufacture of the device when a piece of fused silica fiber doped with boron and germanium is placed in a standing wave of high-intensity UV radiation, which leads to an increase in the refractive index of the fiber in the areas where the antinodes of the standing UV wave are located. The relative change in the refractive index of doped quartz is proportional to the intensity of UV radiation. The central frequency of the spectral band of reflected waves can be controlled in a relatively narrow range by controlling the lattice temperature and the associated thermal deformation (tuning range of not more than 1-2 nm for a wavelength of 1.5 μm / 17, 18 /) or by mechanical tension and compressing the fiber along its axis (tuning range of 10-20 nm for a wavelength of 1.5 μm / 12, 16 /).
Недостатком известного устройства является узкая полоса перестройки (1-2 нм) центральной частоты отраженного света при температурном управлении центральной частотой, а также необходимость применения механических компонентов и связанная с этим чувствительность к вибрации при управлении центральной частотой отраженных волн методом сжатия/растяжения оптоволокна.A disadvantage of the known device is a narrow tuning band (1-2 nm) of the central frequency of the reflected light during temperature control of the central frequency, as well as the need to use mechanical components and the associated sensitivity to vibration when controlling the central frequency of the reflected waves by the compression / extension method of the optical fiber.
Известен способ преобразования однонаправленных световых мод с различной поляризацией, угловым порядком и локализацией (собственно волноводных мод, локализованных около сердцевины, и оболочечных мод /2, 11/, направляемых оболочкой за счет полного внутреннего отражения на границе оболочки с воздухом), распространяющихся в оптическом волноводе с различными постоянными распространения β1 и β2, заключающийся в формировании в сердцевине оптоволокна периодических вдоль оси волокна областей с повышенным показателем преломления /10, 11/. При этом разность постоянных распространения взаимодействующих мод β1-β2 определяется периодом изменения показателя преломления Λ по формуле (1), то есть, для обеспечения взаимодействия мод период неоднородности показателя преломления должен совпадать с длиной биений указанных мод. Для создания периодических вдоль оси волокна изменений показателя преломления, как и для создания волоконных решеток Брэгга, используется эффект изменения показателя преломления плавленого кварца (SiO2) при интенсивном облучении ультрафиолетом в спектральном диапазоне 200-300 нм /7-9/. Отрезок оптоволокна помещается в стоячую УФ волну. В местах расположения пучностей стоячей волны интенсивное УФ излучение вызывает увеличение показателя преломления кварца, которое сохраняется после снятия УФ излучения. Период изменения показателя преломления Λ определяется длиной волны УФ излучения и взаимным расположением стоячей волны и отрезка оптоволокна. Для увеличения УФ фоточувствительности кварц легируется ионами бора и германия.A known method of converting unidirectional light modes with different polarization, angular order and localization (proper waveguide modes localized near the core, and cladding modes / 2, 11 /, guided by the cladding due to total internal reflection at the cladding boundary with air) propagating in the optical waveguide with different propagation constants β 1 and β 2 , which consists in the formation in the core of the optical fiber of regions periodic along the fiber axis with a high refractive index / 10, 11 /. In this case, the difference between the propagation constants of the interacting modes β 1 -β 2 is determined by the period of change of the refractive index Λ according to formula (1), that is, to ensure the interaction of the modes, the period of non-uniformity of the refractive index must coincide with the beat length of these modes. To create refractive index changes that are periodic along the fiber axis, as well as to create Bragg fiber gratings, we use the effect of changing the refractive index of fused silica (SiO 2 ) under intense ultraviolet irradiation in the spectral range 200-300 nm / 7-9 /. A piece of fiber is placed in a standing UV wave. At the locations of the antinodes of the standing wave, intense UV radiation causes an increase in the refractive index of quartz, which persists after the UV radiation is removed. The period of change in the refractive index Λ is determined by the wavelength of UV radiation and the relative position of the standing wave and the length of the optical fiber. To increase the UV photosensitivity, quartz is doped with boron and germanium ions.
Недостатком известного способа является высокая температурная чувствительность и ограниченные возможности управления периодом Λ (не более 4-5%), требующие механических систем приложения силы, а следовательно, чувствительные к вибрации.The disadvantage of this method is the high temperature sensitivity and limited control over the period Λ (no more than 4-5%), requiring mechanical systems of application of force, and therefore, sensitive to vibration.
Известно устройство для спектрально-селективной связи однонаправленных волноводных мод в оптоволокне (длиннопериодная решетка Брэгга), которое представляет собой отрезок оптоволокна, показатель преломления сердцевины которого периодически изменяется вдоль оси оптоволокна /10, 11/. При этом разность постоянных распространения взаимодействующих мод удовлетворяет условию (1). Связываемые моды могут отличаться частотой, поляризацией и радиальным порядком /2/. Кроме того, возможна связь собственно волноводных мод (локализованных в сердцевине волокна) с т.н. оболочечными модами, которые локализованы в оболочке за счет полного внутреннего отражения на границе оболочки с воздухом /11/. Длиннопериодные решетки Брэгга обычно формируются в оптоволокне за счет использования эффекта изменения показателя преломления плавленого кварца, легированного бором и германием, под действием УФ излучения, способом, описанным выше.A device for spectrally selective coupling of unidirectional waveguide modes in an optical fiber (long-period Bragg grating), which is a segment of an optical fiber, the core refractive index of which periodically varies along the axis of the optical fiber / 10, 11 /. In this case, the difference between the propagation constants of the interacting modes satisfies condition (1). The coupled modes can differ in frequency, polarization, and radial order / 2 /. In addition, it is possible to connect the actual waveguide modes (localized in the fiber core) with the so-called shell modes, which are localized in the shell due to total internal reflection at the boundary of the shell with air / 11 /. Long-period Bragg gratings are usually formed in an optical fiber by using the effect of changing the refractive index of fused silica doped with boron and germanium under the action of UV radiation, as described above.
Недостатком известного устройства является сложность изменения периода решетки, необходимого для изменения спектрального диапазона взаимодействия мод. Изменение периода решетки требует прецизионного приложения механического усилия /12-16/ или поддержания заданной температуры волоконной решетки с высокой точностью /17/. Кроме того, для полного преобразования энергии одной моды в другую необходимо с высокой точностью контролировать как силу решетки - относительное изменение коэффициента преломления сердцевины - так и ее длину, что представляет сложную проблему при известных способах изготовления длиннопериодных волоконных решеток.A disadvantage of the known device is the complexity of changing the lattice period necessary to change the spectral range of mode interaction. Changing the lattice period requires the precision application of mechanical force / 12-16 / or maintaining a given temperature of the fiber lattice with high accuracy / 17 /. In addition, for the complete conversion of the energy of one mode to another, it is necessary to control with high accuracy both the lattice strength — the relative change in the refractive index of the core — and its length, which is a complex problem with known methods for manufacturing long-period fiber gratings.
Известен способ спектрально-селективного преобразования оптических волноводных мод, состоящий в обеспечении распространения электромагнитного излучения в волноводе, по крайней мере частично выполненном из вещества со свойствами ориентированного нематического или смектического жидкого кристалла (ЖК) /20/. В смектических ЖК длинные палочкообразные молекулы расположены в плоских мономолекулярных слоях, причем молекулы ориентированы перпендикулярно плоскости слоев. Нематический жидкий кристалл состоит из длинных палочкообразных молекул и обладает дальним ориентационным порядком (оси молекул направлены вдоль выделенного направления - “директора” n) при отсутствии координационного порядка центров масс молекул. Ориентация молекул ЖК определяет главные оси его тензора показателя преломления. Под действием внешнего электрического поля директор нематического ЖК стремится повернуться вдоль или поперек направления поля в зависимости от величины диэлектрической анизотропии молекул, изменяя, таким образом, главные оси показателя преломления /21, 22/. При этом к жидкокристаллической части волновода прикладывают управляющее электрическое поле, которое изменяет ориентацию ЖК, а вместе с ней и его оптические свойства (направление главных осей тензора показателя преломления), обеспечивая возможность управляемого преобразования волноводных мод электромагнитного излучения.A known method of spectrally-selective conversion of optical waveguide modes, which consists in ensuring the propagation of electromagnetic radiation in a waveguide, at least partially made of a substance with the properties of an oriented nematic or smectic liquid crystal (LC) / 20 /. In smectic LCs, long rod-shaped molecules are located in planar monomolecular layers, and the molecules are oriented perpendicular to the plane of the layers. A nematic liquid crystal consists of long rod-shaped molecules and has a long-range orientational order (the axes of the molecules are directed along the marked direction — the “director” n) in the absence of a coordination order of the centers of mass of the molecules. The orientation of the LC molecules determines the principal axes of its refractive index tensor. Under the influence of an external electric field, the director of a nematic LC tends to rotate along or across the direction of the field depending on the dielectric anisotropy of the molecules, thus changing the principal axes of the refractive index / 21, 22 /. At the same time, a control electric field is applied to the liquid crystal part of the waveguide, which changes the orientation of the LC, and with it its optical properties (the direction of the principal axes of the refractive index tensor), providing the possibility of controlled conversion of the waveguide modes of electromagnetic radiation.
Недостатком известного способа является малая спектральная селективность преобразования мод (ширина спектральной полосы более 50 нм), связанная с однородностью тензора показателя преломления в указанных классах ЖК веществ.A disadvantage of the known method is the small spectral selectivity of the mode conversion (spectral bandwidth of more than 50 nm) associated with the uniformity of the refractive index tensor in these classes of LC substances.
Известно устройство для управляемого преобразования волноводных световых мод, распространяющихся в волноводе - оптоволокне, сердцевина которого выполнена из ориентированного нематического или смектического жидкого кристалла /20/. Управление преобразованием мод распространяющегося в оптоволокне света осуществляется посредством управляемого изменения оптических свойств жидкокристаллического ядра, осуществляемого приложением к ЖК ядру электрического поля, направленного перпендикулярно к оси волновода. Электрическое поле изменяет ориентацию молекул ЖК, а вместе с ней и направление главных осей тензора показателя преломления сердцевины волновода, выполненной из ЖК /21, 22/. В комбинации с поляризаторами, рефлекторами и двулучепреломляющими элементами указанное устройство позволяет модулировать фазу, поляризацию и интенсивность распространяющегося в оптоволокне света, а также осуществлять его спектральную фильтрацию и генерацию второй гармоники.A device for the controlled conversion of waveguide light modes propagating in a waveguide is an optical fiber, the core of which is made of oriented nematic or smectic liquid crystal / 20 /. The transformation of the modes of the light propagating in the optical fiber is controlled by means of a controlled change in the optical properties of the liquid crystal core by applying an electric field to the LC core, directed perpendicular to the waveguide axis. The electric field changes the orientation of the LC molecules, and with it the direction of the principal axes of the tensor of the refractive index of the core of the waveguide made of LC / 21, 22 /. In combination with polarizers, reflectors and birefringent elements, this device allows you to modulate the phase, polarization and intensity of the light propagating in the optical fiber, as well as to carry out its spectral filtering and second harmonic generation.
Основным недостатком известного устройства является невозможность в рамках указанных веществ создания ЖК ядра волновода, оптические свойства которого (в частности, тензор показателя преломления) изменялись бы периодически вдоль оси волновода и допускали бы управление периодом с помощью приложения внешнего электрического поля. Как следствие, известное устройство не может реализовать Брэгговский режим отражения распространяющихся по оптоволокну волноводных мод, а также спектрально-селективное преобразование однонаправленных мод.The main disadvantage of the known device is the impossibility of creating within the framework of these substances an LC waveguide core, the optical properties of which (in particular, the refractive index tensor) would change periodically along the axis of the waveguide and allow the period to be controlled by applying an external electric field. As a result, the known device cannot realize the Bragg reflection mode of the waveguide modes propagating through the optical fiber, as well as the spectrally selective conversion of unidirectional modes.
Известен способ спектрально-селективного преобразования волноводной моды электромагнитного излучения, предусматривающий распространение света в веществе с хиральной симметрией тензора показателя преломления, расположенном в промежутке между торцами одинаковых, соосно расположенных волноводов, и перекрывающем все сечение волновода, причем ось спирали указанного вещества с хиральной симметрией совпадает с общей осью волноводов /23/. Вещества с хиральной симметрией - хиральные жидкие кристаллы (ХЖК) состоят из оптически активных вытянутых молекул, которые укладываются в мономолекулярные слои с одинаковым направлением молекул в слое /24/. Направление молекул в каждом слое характеризует вектор n (директор). Директор в каждом слое параллелен плоскости слоя и повернут относительно директора предыдущего слоя на некоторый угол вокруг оси, перпендикулярной ко всем слоям. Это приводит к образованию в ХЖК упорядоченной закрученной (спиральной) структуры с шагом спирали р0, которому соответствует поворот директора n на угол 2π вокруг оси спирали. В зависимости от химического строения молекул спираль может быть правовинтовой или левовинтовой.There is a method of spectrally-selective conversion of the waveguide mode of electromagnetic radiation, involving the propagation of light in a substance with a chiral symmetry of the refractive index tensor, located in the gap between the ends of the same, coaxially arranged waveguides, and overlapping the entire cross section of the waveguide, and the axis of the spiral of the specified substance with chiral symmetry coincides with the common axis of the waveguides / 23 /. Substances with chiral symmetry - chiral liquid crystals (CLCs) consist of optically active elongated molecules that fit into monomolecular layers with the same molecular direction in the layer / 24 /. The direction of the molecules in each layer characterizes the vector n (director). The director in each layer is parallel to the plane of the layer and rotated relative to the director of the previous layer by an angle around an axis perpendicular to all layers. This leads to the formation in the CLC of an ordered twisted (spiral) structure with a helix pitch p 0 , which corresponds to the rotation of the director n by an angle 2π around the axis of the helix. Depending on the chemical structure of the molecules, the helix can be right-handed or left-handed.
Оптические свойства ХЖК определяются описанной структурой с винтовой (хиральной) симметрией. Именно, тензор показателя преломления ХЖК имеет собственное значение ne вдоль главной оси, совпадающей с направлением директора в слое, и двумя равными собственными значениями no, соответствующими главным осям, перпендикулярным директору. По определению, ne>no. От слоя к слою изменяется лишь направление главных осей, повторяя спиральную структуру ХЖК, при этом величины nо и ne остаются постоянными. Таким образом, тензор показателя преломления обладает винтовой симметрией, то есть тензор двух любых точках ХЖК отличается лишь поворотом вокруг оси спирали ХЖК. Период оптических свойств вдвое меньше шага спирали р0, так как свойства каждого отдельного слоя одинаковы как в направлении n, так и в противоположном ему направлении -n (структура ХЖК неполярна).The optical properties of CLCs are determined by the described structure with helical (chiral) symmetry. Namely, the refractive index tensor of the CLC has an eigenvalue n e along the main axis, which coincides with the direction of the director in the layer, and two equal eigenvalues n o corresponding to the main axes perpendicular to the director. By definition, n e > n o . From layer to layer, only the direction of the main axes changes, repeating the spiral structure of the CLC, while the values of n o and n e remain constant. Thus, the refractive index tensor has helical symmetry, that is, the tensor of any two points of the CLC differs only in rotation about the axis of the CLC spiral. The period of optical properties is half the helix pitch p 0 , since the properties of each individual layer are the same both in the n direction and in the -n direction opposite to it (the CLC structure is non-polar).
При распространении электромагнитного излучения в веществе с хиральной симметрией, благодаря периодическому вдоль оси ХЖК изменению тензора показателя преломления, происходит дифракция света, аналогичная дифракции Вульфа-Брэгга для рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Особый интерес представляют свойства дифракции света на ХЖК при нормальном падении, когда луч света перпендикулярен мономолекулярным слоям. При нормальном падении отражается свет, направление круговой поляризации которого совпадает со спиралью ХЖК; свет противоположной круговой поляризации проходит без потерь. Полное отражение света с круговой поляризацией происходит в определенном интервале спектра, середина которого соответствует постоянной распространения волноводной моды β=р0. Этот эффект называется спектрально-селективным отражением света в хиральных ЖК /24/. Ширина спектрального интервала отражения Δλ пропорциональна оптической анизотропии nе-n0 When electromagnetic radiation propagates in a substance with chiral symmetry, due to a periodic change in the refractive index tensor along the CLC axis, light diffraction occurs, similar to Wulf-Bragg diffraction for x-rays on a crystal lattice. Of particular interest are the properties of light diffraction by CLC during normal incidence, when the light beam is perpendicular to the monomolecular layers. During normal incidence, light is reflected whose circular polarization direction coincides with the CLC helix; light of opposite circular polarization passes without loss. The full reflection of light with circular polarization occurs in a certain range of the spectrum, the middle of which corresponds to the propagation constant of the waveguide mode β = p 0 . This effect is called spectrally selective reflection of light in chiral LC / 24 /. The width of the spectral reflection interval Δλ is proportional to the optical anisotropy n е -n 0
При распространении света в ХЖК, расположенном между торцами соосно ориентированных волноводов, происходит спектрально-селективное отражение волноводных мод излучения с определенной круговой поляризацией в обратном направлении. При этом отраженный свет частично вводится в волновод через примыкающий к мембране торец волновода.When light propagates in a CLC located between the ends of coaxially oriented waveguides, spectrally selective reflection of waveguide modes of radiation with a certain circular polarization in the opposite direction occurs. In this case, the reflected light is partially introduced into the waveguide through the end face of the waveguide adjacent to the membrane.
Недостатком известного способа является малая спектральная селективность (Δλ не менее 20 нм), определяемая оптической анизотропией ne-no вещества с хиральной симметрией, которая определяет ширину спектрального диапазона отражения мембраны, расположенной между торцами волноводов, а также невозможность перестройки спектрального диапазона отражаемых волн. Кроме того, указанный способ позволяет преобразовывать друг в друга только моды с противоположной круговой поляризацией. При размещении вещества ХЖК согласно указанному способу в месте его размещения нарушается волноводная структура, которая требует наличия оболочки с коэффициентом преломления большим, чем таковой сердечника, что приводит к нежелательным потерям света.The disadvantage of this method is the low spectral selectivity (Δλ of at least 20 nm), determined by the optical anisotropy n e -n o of a substance with chiral symmetry, which determines the width of the spectral range of reflection of the membrane located between the ends of the waveguides, as well as the impossibility of tuning the spectral range of the reflected waves. In addition, this method allows you to convert to each other only modes with opposite circular polarization. When placing a CLC substance according to the specified method at the place of its placement, the waveguide structure is violated, which requires a sheath with a refractive index greater than that of the core, which leads to undesirable light losses.
Известно волоконно-оптическое устройство для спектрально-селективного отражения распространяющейся волноводной моды с определенной длиной волны и с заданной круговой поляризацией /23/. Устройство представляет собой мембрану из вещества с хиральной симметрией оптических свойств, расположенную в промежутке между торцами соосно ориентированных отрезков оптоволокна. Указанная мембрана обеспечивает спектрально-селективное отражение распространяющегося в волноводе излучения с круговой поляризацией, совпадающей с ориентацией спирали вещества мембраны.Known fiber optic device for spectrally selective reflection of a propagating waveguide mode with a specific wavelength and with a given circular polarization / 23 /. The device is a membrane of a substance with a chiral symmetry of optical properties, located in the gap between the ends of the coaxially oriented segments of the optical fiber. The specified membrane provides spectrally selective reflection of the radiation propagating in the waveguide with circular polarization, which coincides with the orientation of the spiral material of the membrane.
Недостатками известного устройства являются отражение света только с одной круговой поляризацией, а также невозможность управления длиной волны отраженного света. Кроме того, при размещении мембраны из ХЖК между торцами волноводов в месте его размещения отсутствует волноводная структура, которая требует наличия оболочки с коэффициентом преломления большим, чем таковой сердечника, что приводит к нежелательному излучению света вовне волновода.The disadvantages of the known device are the reflection of light with only one circular polarization, as well as the inability to control the wavelength of the reflected light. In addition, when placing a CLC membrane between the ends of the waveguides at the place of its placement, there is no waveguide structure that requires a sheath with a refractive index greater than that of the core, which leads to undesirable light emission outside the waveguide.
Известен способ преобразования параметров распространяющейся по оптоволокну моды электромагнитного излучения, а именно, модуляции интенсивности моды, заключающийся в обеспечении распространения моды в оболочке, выполненной из вещества со свойствами ЖК и помещенной во внешнее электрическое поле /25/. Электрическое поле изменяет ориентацию молекул ЖК, а вместе с ней и направление главных оптических осей тензора показателя преломления ЖК части оболочки, что приводит к увеличению эффективного показателя оболочки. Тем самым нарушается волноводное свойство структуры, требующее, чтобы показатель преломления сердцевины был больше показателя преломления оболочки, и обеспечивается частичный регулируемый вывод энергии волноводной моды вовне оптоволокна.A known method of converting the parameters of a mode of electromagnetic radiation propagating through an optical fiber, namely, modulating the intensity of a mode, which consists in ensuring the propagation of the mode in a shell made of a substance with the properties of an LC and placed in an external electric field / 25 /. The electric field changes the orientation of the LC molecules, and with it the direction of the main optical axes of the refractive index tensor of the LC part of the shell, which leads to an increase in the effective index of the shell. This violates the waveguide property of the structure, which requires that the refractive index of the core be greater than the refractive index of the cladding, and provides a partial controlled output of the energy of the waveguide mode outside the optical fiber.
Недостатком известного способа преобразования параметров волноводной моды является малая частотная избирательность (не лучше 10%) вследствие однородности оптических свойств ЖК части волновода на расстояниях порядка длины волны распространяющейся моды и, как следствие, невозможность частотно-селективного преобразования волноводных мод электромагнитного излучения друг в друга. В частности, указанный способ не позволяет обеспечить по крайней мере частичное отражение волноводной моды в обратном направлении с сохранением волноводных свойств.A disadvantage of the known method for converting the parameters of the waveguide mode is the low frequency selectivity (not better than 10%) due to the uniformity of the optical properties of the LC part of the waveguide at distances of the order of the wavelength of the propagating mode and, as a consequence, the impossibility of frequency-selective conversion of waveguide modes of electromagnetic radiation into each other. In particular, this method does not allow at least partial reflection of the waveguide mode in the opposite direction while maintaining waveguide properties.
Известно устройство /25/, осуществляющее модуляцию интенсивности электромагнитных волн, распространяющихся по цилиндрическому двухслойному волноводу, и представляющее собой отрезок волокна, содержащего сердцевину и оболочку, выполненную из ЖК на некотором интервале, и электроды, размещенные на ЖК оболочке таким образом, что ЖК часть волновода находится между электродами. Описанное устройство схематически изображено на фиг.1, где представлено осевое сечение осесимметричного устройства. На фиг.1 цифрой 1 обозначена сердцевина оптоволокна, 2 - оболочка на подводящих участках волокна, 3 - ЖК оболочка, 4 - электроды, 5 и 6 - профили интенсивности волноводной моды до и после прохождения через устройство, соответственно. Ориентацией молекул ЖК оболочки, а вместе с ними и ориентацией главных осей тензора показателя преломления, управляет электрическое поле между электродами. В результате переориентации главных осей тензора показателя преломления ЖК оболочки нарушаются волноводные свойства устройства, а именно, величина показателя преломления оболочки в направлении, перпендикулярном оси волновода, становится равной или большей показателя преломления сердцевины волновода. Как следствие, происходит регулируемое величиной приложенного поля уменьшение интенсивности распространяющейся в устройстве волноводной моды.A device / 25 / is known, which modulates the intensity of electromagnetic waves propagating along a cylindrical two-layer waveguide, and is a piece of fiber containing a core and a shell made of a liquid crystal in a certain interval, and electrodes placed on the liquid crystal shell in such a way that the liquid crystal part of the waveguide located between the electrodes. The described device is schematically shown in figure 1, which shows an axial section of an axisymmetric device. In figure 1, the
Недостатком известного устройства является отсутствие частотно-селективной связи различных мод распространяющегося по волноводу света, так как в рамках указанных веществ эффективный показатель преломления ЖК оболочки для волноводных мод постоянен вдоль оси волновода и его оптические свойства определяются приложенным к ЖК внешним полем, тогда как для связи различных мод излучения показатель преломления должен периодически изменяться вдоль оси волновода. В частности, известное устройство не может обеспечить связывания волноводных мод, распространяющихся в противоположных направлениях.A disadvantage of the known device is the lack of frequency-selective coupling of various modes of light propagating along the waveguide, since within the framework of these substances the effective refractive index of the LC cladding for waveguide modes is constant along the axis of the waveguide and its optical properties are determined by an external field applied to the LC, whereas radiation modes, the refractive index should periodically change along the axis of the waveguide. In particular, the known device cannot provide coupling of waveguide modes propagating in opposite directions.
Известное устройство, включающее волновод, содержащий сердцевину и оболочку, выполненную из ЖК на отрезке волновода и снабженное электродами, размещенными вдоль волновода в области ЖК части волновода, выбрано в качестве наиболее близкого аналога. В известном устройстве используются нематические и смектические ЖК.A known device comprising a waveguide containing a core and a sheath made of an LC on a segment of the waveguide and equipped with electrodes placed along the waveguide in the region of the LC part of the waveguide is selected as the closest analogue. In the known device uses nematic and smectic LCD.
Известное устройство, выбранное в качестве ближайшего аналога, схематически изображено на фиг.2, в разрезе плоскостью проходящей через ось цилиндрической сердцевины 1 и сосной ей цилиндрической оболочки 2, которая на отрезке оптоволокна 3 выполнена из ЖК и снабжена электродами 4, расположенными на поверхности ЖК оболочки 3.The known device, selected as the closest analogue, is schematically depicted in figure 2, in the context of a plane passing through the axis of the
Недостатками известного устройства является невозможность, используя нематические и смектические ЖК, обеспечить спектрально-селективное преобразование мод с диапазоном преобразования менее 30 нм, а также невозможность связывания волноводных мод, распространяющихся в противоположных направлениях, в спектральном диапазоне шириной менее 30 нм.The disadvantages of the known device is the inability, using nematic and smectic LCs, to provide spectrally selective mode conversion with a conversion range of less than 30 nm, as well as the inability to bind waveguide modes propagating in opposite directions in the spectral range of width less than 30 nm.
Задачей изобретения является улучшение характеристик частотно-селективного преобразования волноводных световых мод с перестраиваемой центральной частотой полосы преобразования.The objective of the invention is to improve the characteristics of frequency-selective conversion of waveguide light modes with tunable center frequency of the conversion band.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности перестраиваемового частотно-селективного преобразования волноводных мод.The technical result of the invention is to enable tunable frequency-selective conversion of waveguide modes.
Задача решается тем, что в способе спектрально-селективного преобразования мод оптического излучения в волноводе, предусматривающем обеспечение распространения по крайней мере двух волноводных мод оптического излучения в волноводной структуре с периодическим изменением тензора преломления вдоль направления волноводного распространения света, приложение электрического или магнитного поля заданной ориентации и управление характеристиками оптического излучения путем изменения тензора преломления волноводной структуры в области распространения указанных мод при изменении величины электрического или магнитного поля заданной ориентации, в соответствии с изобретением, обеспечивают распространение оптического излучения в среде со свойствами хирального жидкого кристалла (ХЖК), ось спирали которого ориентирована вдоль оси волновода, аналитически определяют шаг р спирали ХЖК по заданным постоянным распространения связываемых мод β1 и β2, по соотношениюThe problem is solved in that in a method for spectrally selective conversion of optical radiation modes in a waveguide, providing for the propagation of at least two waveguide modes of optical radiation in a waveguide structure with periodic variation of the refractive tensor along the direction of the waveguide light propagation, the application of an electric or magnetic field of a given orientation and control the characteristics of optical radiation by changing the refractive tensor of the waveguide structure in the region the propagation of these modes when changing the magnitude of the electric or magnetic field of a given orientation, in accordance with the invention, ensures the propagation of optical radiation in a medium with the properties of a chiral liquid crystal (CLC), the axis of the spiral of which is oriented along the axis of the waveguide, analytically determine the pitch p of the CLC spiral according to the given constants propagation of the coupled modes β 1 and β 2 , according to the ratio
по величине шага спирали р определяют величину напряженности внешнего электрического или магнитного поля, которое прикладывают к волноводу в направлении, перпендикулярном оси волновода, и изменяют внешнее поле до достижения величиной р значения, соответствующего заданным величинам постоянных распространения связываемых мод β1 и β2.the magnitude of the spiral pitch p determines the magnitude of the external electric or magnetic field, which is applied to the waveguide in the direction perpendicular to the axis of the waveguide, and the external field is changed until the value p reaches the value corresponding to the specified values of the propagation constants of the coupled modes β 1 and β 2 .
Кроме того, к среде со свойствами ХЖК прикладывают переменное электрическое поле с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК.In addition, an alternating electric field with a frequency lower than the dielectric relaxation frequency of the CLC is applied to a medium with CLC properties.
Кроме того, к среде со свойствами ХЖК прикладывают постоянное магнитное поле.In addition, a constant magnetic field is applied to a medium with CLC properties.
Кроме того, для связываемых волноводных мод противоположного направления распространения шаг спирали ХЖК р определяют из соотношенияIn addition, for the coupled waveguide modes of the opposite direction of propagation, the step of the CLC helix p is determined from the relation
где β - абсолютная величина постоянной распространения отражаемой моды.where β is the absolute value of the propagation constant of the reflected mode.
Задача решена тем, что в известном устройстве для спектрально-селективного преобразования мод оптического излучения в волноводе, включающем электроды и расположенный между ними волновод, по крайней мере, частично выполненный из жидкого кристалла и содержащий, по крайней мере, одну сердцевину и, по крайней мере, одну оболочку, в соответствии с изобретением часть волновода выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.The problem is solved in that in the known device for spectrally selective conversion of optical radiation modes in a waveguide, comprising electrodes and a waveguide located between them, at least partially made of a liquid crystal and containing at least one core and at least , one sheath, in accordance with the invention, a part of the waveguide is made of a uniformly oriented chiral liquid crystal, the axis of the spiral of which is parallel to the axis of the waveguide.
Кроме того, по крайней мере одна из оболочек волновода или ее часть выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.In addition, at least one of the shells of the waveguide or part thereof is made of a uniformly oriented chiral liquid crystal, the axis of the spiral of which is parallel to the axis of the waveguide.
Кроме того, сердцевина волновода выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.In addition, the core of the waveguide is made of a uniformly oriented chiral liquid crystal, the axis of the spiral of which is parallel to the axis of the waveguide.
Кроме того, волновод содержит две сердцевины, и часть оболочки волновода, расположенная между ними, выполнена из однородно ориентированного хирального жидкого кристалла, ось спирали которого расположена параллельно оси волновода.In addition, the waveguide contains two cores, and the part of the waveguide sheath located between them is made of a uniformly oriented chiral liquid crystal, the spiral axis of which is parallel to the axis of the waveguide.
Кроме того, электроды укреплены на внешней оболочке волновода.In addition, the electrodes are mounted on the outer shell of the waveguide.
Кроме того, волновод выполнен в виде по крайней мере одного отрезка оптоволокна.In addition, the waveguide is made in the form of at least one piece of optical fiber.
Кроме того, в качестве оптоволокна выбрано одномодовое оптоволокно.In addition, single-mode fiber has been selected as the optical fiber.
Сущность изобретения заключается том, что в качестве ЖК вещества используется хиральный жидкий кристалл (ХЖК), причем ось спирали ХЖК ориентирована параллельно оси волновода. Отрезок волновода с оболочкой, выполненной из ХЖК, помещен в приложенное извне переменное электрическое или постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно к оси спирали ХЖК. Благодаря указанной ориентации ХЖК в волноводе обеспечивается периодическое вдоль его оси изменение тензора показателя преломления, приводящее к спектрально-селективному взаимодействию волноводных мод. При этом постоянные распространения взаимодействующих мод связаны с периодом изменения тензора показателя преломления формулой (1). Изменяя напряженность внешнего поля, приложенного к ХЖК, управляют периодом изменения тензора показателя преломления, перестраивая тем самым центральную частоту спектрального интервала, на котором происходит преобразование введенной в волновод моды.The essence of the invention lies in the fact that a chiral liquid crystal (CLC) is used as an LC substance, the axis of the CLC spiral being oriented parallel to the axis of the waveguide. A segment of a waveguide with a sheath made of CLC is placed in an externally applied alternating electric or constant magnetic field directed perpendicular to the axis of the CLC spiral. Owing to the indicated orientation of the CLC in the waveguide, a change in the refractive index tensor is provided along its axis, leading to spectrally selective interaction of the waveguide modes. In this case, the propagation constants of the interacting modes are related to the period of change of the refractive index tensor by formula (1). By varying the strength of the external field applied to the CLC, the period of change of the refractive index tensor is controlled, thereby rearranging the center frequency of the spectral interval over which the mode introduced into the waveguide is converted.
ХЖК состоят из оптически активных вытянутых молекул, которые укладываются в мономолекулярные слои с одинаковым направлением молекул в слое. Направление молекул в каждом слое характеризует вектор n (директор). Директор в каждом слое лежит в плоскости слоя и повернут относительно директора предыдущего слоя на некоторый угол вокруг оси, перпендикулярной ко всем слоям. Это приводит к образованию в ХЖК упорядоченной закрученной (хиральной) структуры, характеризуемой шагом спирали р0. По определению, шаг спирали р0 есть расстояние по нормали к молекулярным слоям ХЖК, которому соответствует поворот директора n на угол 2π. В зависимости от химического строения молекул спираль ХЖК может быть правовинтовой или левовинтовой.CLCs consist of optically active elongated molecules that fit into monomolecular layers with the same molecular direction in the layer. The direction of the molecules in each layer characterizes the vector n (director). The director in each layer lies in the plane of the layer and is rotated relative to the director of the previous layer by an angle around an axis perpendicular to all layers. This leads to the formation in CLC of an ordered twisted (chiral) structure, characterized by a pitch of the helix p 0 . By definition, the helix pitch p 0 is the distance along the normal to the molecular layers of the CLC, which corresponds to the rotation of the director n by an angle of 2π. Depending on the chemical structure of the molecules, the CLC spiral can be right-handed or left-handed.
Оптические свойства ХЖК определяются описанной структурой с винтовой симметрией (группа симметрии ∞2 /24/). Именно, тензор показателя преломления ХЖК имеет собственное значение nе (т.н. необыкновенный показатель преломления) вдоль главной оси, совпадающей с направлением директора в слое, и двумя равными собственными значениями no (т.н. обыкновенный показатель преломления), соответствующими главным осям, перпендикулярным директору. Определенный таким образом тензор показателя преломления в литературе называется локальным /24/, так как он описывает свойства вещества ХЖК в отдельных мономолекулярных слоях и изменяется на расстояниях, сравнимых с длиной волны распространяющегося света. От слоя к слою изменяется лишь направление главных осей, повторяя спиральную структуру ХЖК, при этом величины no и ne остаются постоянными. Таким образом, тензор показателя преломления обладает винтовой симметрией, то есть тензор двух любых точках ХЖК отличается лишь углом поворота главных осей вокруг оси спирали. Период оптических свойств вдвое меньше шага спирали р0, так как свойства каждого отдельного слоя одинаковы как в направлении n, так и в противоположном ему направлении -n (структура ХЖК неполярна).The optical properties of CLCs are determined by the described structure with helical symmetry (symmetry group ∞2 / 24 /). Namely, the CLC refractive index tensor has an eigenvalue n e (the so-called extraordinary refractive index) along the main axis, which coincides with the direction of the director in the layer, and two equal eigenvalues n o (the so-called ordinary refractive index), corresponding to the main axes perpendicular to the director. The refractive index tensor thus defined in the literature is called local / 24 /, since it describes the properties of the CLC substance in individual monomolecular layers and varies at distances comparable to the wavelength of the propagating light. From layer to layer, only the direction of the main axes changes, repeating the spiral structure of the CLC, while the values of n o and n e remain constant. Thus, the refractive index tensor has helical symmetry, that is, the tensor of any two CLC points differs only in the angle of rotation of the main axes around the axis of the spiral. The period of optical properties is half the helix pitch p 0 , since the properties of each individual layer are the same both in the n direction and in the -n direction opposite to it (the CLC structure is non-polar).
Внешнее электрическое поле, приложенное в направлении, перпендикулярном к оси спирали ХЖК, изменяет шаг спирали р в диапазоне от некоторой минимальной длины шага спирали р0, присущей данному веществу, до полного раскручивания спирали. Полное распрямление происходит при некоторой критической напряженности поля Еc и соответствует переходу ЖК в нематическое состояние, когда все молекулы ориентированы в одном направлении. Постепенное изменение шага спирали ХЖК р при увеличении внешнего поля происходит за счет конкуренции сил межмолекулярного взаимодействия, стремящихся скрутить спираль до состояния с минимальным для данного вещества шагом р0, с силами внешнего поля, стремящимися полностью раскрутить спираль ХЖК. Зависимость шага спирали ХЖК р от приложенного переменного электрического поля дается формулой /26-28/An external electric field applied in a direction perpendicular to the axis of the CLC spiral changes the pitch of the spiral p in the range from a certain minimum spiral pitch p 0 inherent in this substance to the complete unwinding of the spiral. Full straightening occurs at a certain critical field strength E c and corresponds to the transition of the LC to the nematic state, when all molecules are oriented in the same direction. A gradual change in the pitch of the CLC helix p with an increase in the external field occurs due to the competition between the forces of intermolecular interaction, tending to twist the spiral to a state with a minimum pitch p 0 for this substance, with the forces of the external field tending to completely unwind the CLC helix. The dependence of the pitch of the CLC helix p on the applied alternating electric field is given by the formula / 26-28 /
где p0=const обозначает шаг спирали в отсутствие электрического поля, ре обозначает шаг спирали при приложении электрического поля с амплитудой напряженности Е, К(s) и E(s) - полные эллиптические интегралы, табулированные, напр., в справочнике /29/, а безразмерный параметр s(E) находится из уравненияwhere p 0 = const denotes the step of the spiral in the absence of an electric field, p e denotes the step of the spiral when applying an electric field with an amplitude of intensity E, K (s) and E (s) are full elliptic integrals, tabulated, for example, in the manual / 29 /, and the dimensionless parameter s (E) is found from the equation
где Еc обозначает напряженность электрического поля, при которой шаг спирали становится бесконечным. Вытекающий из приведенных неявных выражений монотонный рост шага спирали р при увеличении внешнего поля Е графически изображен на фиг.3. Внешнее электрическое поле может быть как переменным во времени, так и постоянным. При приложении внешнего переменного электрического поля его частоту выбирают меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК /30/. Применение постоянного электрического поля для управления шагом спирали не всегда целесообразно из-за проводимости некоторых типов ЖК, приводящей к экранировке внешнего электрического поля в веществе ЖК.where E c denotes the electric field strength at which the pitch of the spiral becomes infinite. The monotonous growth of the pitch of the spiral p flowing from the above implicit expressions with an increase in the external field E is graphically depicted in Fig. 3. An external electric field can be either variable in time or constant. When an external alternating electric field is applied, its frequency is chosen lower than the dielectric relaxation frequency HLC / 30 /. The use of a constant electric field to control the pitch of the spiral is not always advisable because of the conductivity of some types of LCs, which leads to screening of the external electric field in the LC substance.
Контролируемое раскручивание спирали ХЖК может быть обеспечено также приложением постоянного магнитного поля в направлении, перпендикулярном оси спирали. Зависимость шага спирали ХЖК р от приложенного магнитного поля дается приведенной выше формулой (4), в которой безразмерный параметр s(E) заменен на аналогичный параметр s(H), который, в свою очередь, может быть вычислен из уравненияThe controlled unwinding of the CLC spiral can also be achieved by applying a constant magnetic field in the direction perpendicular to the axis of the spiral. The dependence of the step of the CLC helix p on the applied magnetic field is given by formula (4) above, in which the dimensionless parameter s (E) is replaced by a similar parameter s (H), which, in turn, can be calculated from the equation
где Н обозначает напряженность приложенного внешнего магнитного поля, Нc обозначает напряженность магнитного поля, при которой шаг спирали становится бесконечным.where H denotes the intensity of the applied external magnetic field, H c denotes the intensity of the magnetic field at which the pitch of the spiral becomes infinite.
При распространении оптической волноводной моды в области расположения ХЖК происходит интерференция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК. В результате интерференции происходит резонансное взаимодействие тех и только тех волноводных мод электромагнитного излучения, постоянные распространения которых β1 и β2 удовлетворяют соотношению (1). При этом период изменения тензора показателя преломления Λ вдвое меньше, чем шаг спирали ХЖК р. По определению, шагу спирали р соответствует поворот оси ориентации молекул ХЖК (директора n) на угол 2π, хотя период изменения оптических свойств равен p/1 вследствие неполярности нематической, а значит, и холестерической структуры. Неполярность выражается в том, что свойства каждого мономолекулярного слоя одинаковы как в направлении n, так и в противоположном ему направлении -n. Это обеспечивается тем, что каждая молекула в слое имеет форму несимметричной палочки, вытянутой вдоль направления директора n, и может быть с равной вероятностью сориентирована как вдоль направления директора n, так и в противоположном ему направлении -n. В результате формула (1) для случая, когда периодические изменения тензора показателя преломления обеспечиваются за счет распространения в ХЖК, принимает видWhen the optical waveguide mode propagates in the region of the CLC, the interference of electromagnetic radiation occurs at periodic changes in the refractive index tensor provided by the spiral structure of the CLC. As a result of interference, a resonant interaction occurs between those and only those waveguide modes of electromagnetic radiation whose propagation constants β 1 and β 2 satisfy relation (1). In this case, the period of change of the refractive index tensor Λ is half that of the helix step CLC p. By definition, the pitch of the helix p corresponds to the rotation of the orientation axis of the CLC molecules (director n) by an angle of 2π, although the period of change in the optical properties is p / 1 due to the non-polarity of the nematic, and hence the cholesteric structure. Nonpolarity is expressed in the fact that the properties of each monomolecular layer are the same both in the n direction and in the –n direction opposite to it. This is ensured by the fact that each molecule in the layer has the shape of an asymmetric stick extended along the direction of the director n, and can equally well be oriented both along the direction of the director n and the opposite direction -n. As a result, formula (1) for the case when periodic changes in the tensor of the refractive index are provided due to propagation in the CLC, takes the form
где β1 и β2 - постоянные распространения взаимодействующих мод; р - шаг спирали ХЖК.where β 1 and β 2 are the propagation constants of interacting modes; p is the helix step of the CLC.
Как следует из метода связанных мод /2/, ширина спектрального диапазона, в котором происходит резонансное взаимодействие мод, пропорциональна величине оптической анизотропии ХЖК и доле интенсивности моды, распространяющейся в части волновода, выполненной из ХЖК. Уменьшая эту долю интенсивности за счет расположения части волновода, выполненной из ХЖК, на расстоянии от области локализации взаимодействующих мод, можно получать устройства со спектральной полосой взаимодействия меньшей, чем таковая собственно объемных ХЖК, что важно для практических приложений. В результате спектральная селективность предлагаемого устройств превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которое совпадает с шириной полосы отражения используемого ХЖК, а также устройства /20/, которое не предусматривает использование хиральных ЖК.As follows from the coupled mode method / 2 /, the width of the spectral range in which the mode resonance interacts is proportional to the optical anisotropy of the CLC and the fraction of the mode intensity propagating in the part of the waveguide made of CLC. By reducing this fraction of the intensity due to the location of the part of the waveguide made of CLCs at a distance from the localization region of the interacting modes, it is possible to obtain devices with a spectral band of interaction smaller than that of the bulk CLCs themselves, which is important for practical applications. As a result, the spectral selectivity of the proposed devices exceeds the spectral selectivity of the device proposed in / 23 /, which coincides with the reflection bandwidth of the used CLC, as well as the device / 20 /, which does not provide for the use of chiral LCDs.
Часть волновода, выполненная из ХЖК, помещена в приложенное извне электрическое или магнитное поле, направленное перпендикулярно к оси спирали ХЖК, которая совпадает с осью волновода. В отсутствие внешних полей, приложенных к ХЖК, шаг спирали р0 определяется его составом. При приложении внешнего электрического или магнитного поля в направлении, перпендикулярном к оси ХЖК, происходит увеличение шага спирали ХЖК р. Благодаря неполярности ХЖК шаг спирали р, соответствующий повороту директора на 2π, вдвое больше, чем период изменения тензора показателя Λ вдоль оси волновода. Управляя внешним электрическим или магнитным полем, приложенным к указанному ХЖК, изменяют шаг спирали ХЖК, вместе с ним - период р/2 показателя преломления в волноводе и, следовательно, разность постоянных распространения β1 и β2 связываемых волноводных мод, определяемую формулой (7). Изменяя величину внешнего поля, можно управлять разностью постоянных распространения β1-β2 взаимодействующих мод. Диапазон перестройки разности постоянных распространения связываемых мод β1-β2 в формуле (7) простирается от величины 4π/р0, определяемой шагом ХЖК в отсутствие внешних полей, до любого меньшего значения. Такой диапазон перестройки (период Λ меняется на 100%) превышает диапазон перестройки известных волоконных Брэгговских решеток в плавленом кварце, у которых период Λ может перестраиваться не более чем на 6% /13-16/.A part of the waveguide made of CLC is placed in an external electric or magnetic field directed perpendicular to the axis of the CLC spiral, which coincides with the axis of the waveguide. In the absence of external fields applied to the CLC, the helix pitch p 0 is determined by its composition. When an external electric or magnetic field is applied in the direction perpendicular to the axis of the CLC, there is an increase in the pitch of the CLC spiral p. Due to the non-polarity of the CLC, the helix step p, corresponding to the director rotation by 2π, is twice as long as the period of change of the tensor of the exponent Λ along the waveguide axis. By controlling an external electric or magnetic field applied to the indicated CLC, the pitch of the CLC spiral is changed, along with it is the period p / 2 of the refractive index in the waveguide and, therefore, the difference of the propagation constants β 1 and β 2 of the coupled waveguide modes, defined by formula (7) . By changing the magnitude of the external field, one can control the difference in the propagation constants of β 1 -β 2 interacting modes. The range of tuning of the difference between the propagation constants of the coupled β 1 -β 2 modes in formula (7) extends from 4π / p 0 , determined by the CLC step in the absence of external fields, to any smaller value. Such a tuning range (the period Λ changes by 100%) exceeds the tuning range of the known fiber Bragg gratings in fused quartz, in which the period Λ can be tuned by no more than 6% / 13-16 /.
В частности, возможно связывание противоположно направленных мод, для которых постоянные распространения β1 и β2 равны по величине и противоположны по знаку,In particular, it is possible to bind oppositely directed modes for which the propagation constants β 1 and β 2 are equal in magnitude and opposite in sign,
β1=-β2=β.β 1 = -β 2 = β.
Так как ось спирали ХЖК совпадает с направлением распространения волноводной моды, то возникающая дифракция полностью аналогична дифракции Брэгга-Вульфа на слоистой оптической структуре /3/ при нормальном падении, которая обеспечивает также селективность отражения плоской световой волны от объемного хирального ЖК /24/. Эффективная связь мод (частичное отражение) имеет место, если период изменения тензора показателя преломления Λ удовлетворяет условию отражения Брэгга (2), то есть, если шаг спирали р связан с постоянной распространения β соотношениемSince the axis of the CLC spiral coincides with the direction of propagation of the waveguide mode, the resulting diffraction is completely analogous to the Bragg-Wulf diffraction on a layered optical structure / 3 / at normal incidence, which also provides the selectivity of reflection of a plane light wave from a bulk chiral LC / 24 /. An effective mode coupling (partial reflection) takes place if the period of change of the refractive index tensor Λ satisfies the Bragg reflection condition (2), that is, if the spiral pitch p is related to the propagation constant β by the relation
В результате дифракции на периодических изменениях тензора преломления падающая на область расположения ХЖК волноводная мода при указанном значении постоянной распространения, по крайней мере, частично преобразуется в моду, распространяющуюся в противоположном направлении, с сохранением волноводных свойств. Волноводные моды с другими постоянными распространения проходят через область расположения ХЖК без отражения. При каждом фиксированном значении внешнего поля спираль ХЖК обладает периодом р, который находится для известной величины электрического поля по формулам (4, 5), а для магнитного поля - по формулам (4, 6). При каждом значении р отражаются те и только те моды, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8). Изменяя внешнее поле, раскручивающее спираль ХЖК, можно перестраивать постоянную распространения отражаемой моды β, задаваемую формулой (8), в пределах от до любого меньшего значения.As a result of diffraction due to periodic changes in the refractive tensor, the waveguide mode incident on the CLC region at the indicated value of the propagation constant is at least partially converted to a mode propagating in the opposite direction, while maintaining the waveguide properties. Waveguide modes with other propagation constants pass through the CLC region without reflection. For each fixed value of the external field, the CLC spiral has a period p, which is found for a known value of the electric field by formulas (4, 5), and for a magnetic field by formulas (4, 6). For each value of p, those and only those modes are reflected whose propagation constant β satisfies the Bragg condition (8). By changing the external field that unwinds the CLC spiral, one can rearrange the propagation constant β of the reflected mode, given by formula (8), in the range to any smaller value.
Связь противоположно направленных мод может быть осуществлена также в линейном волноводе, содержащем две параллельные одинаковые сердцевины и общую оболочку, причем часть оболочки между сердцевинами выполнена из однородно ориентированного ХЖК, ось спирали которого направлена параллельно сердцевинам. Расстояние между сердцевинами выбирается такого же порядка, как и длина волны. При вводе излучения в одну из сердцевин происходит ее частичное спектрально-селективное преобразование в моду, локализованную около другой сердцевины и распространяющуюся в противоположном направлении. Это преобразование происходит при выполнении соотношения (8). Следовательно, длину волны введенной моды, при которой происходит ее преобразование в моду, локализованную около другого сердечника, можно перестраивать, изменяя с помощью внешнего поля шаг спирали р. Такое преобразование мод актуально для добавления/вычитания каналов в современных системах с частотным разделением каналов (WDM) /31/.The coupling of oppositely directed modes can also be carried out in a linear waveguide containing two parallel identical cores and a common cladding, the part of the cladding between the cores made of uniformly oriented CLC, the helix axis of which is directed parallel to the cores. The distance between the cores is selected in the same order as the wavelength. When radiation is introduced into one of the cores, it partially spectrally selectively transforms into a mode localized near the other core and propagating in the opposite direction. This transformation occurs when relation (8) is satisfied. Consequently, the wavelength of the introduced mode, at which it is converted into a mode localized near another core, can be tuned by changing the pitch of the spiral p using an external field. Such a mode conversion is relevant for adding / subtracting channels in modern systems with frequency division multiplexing (WDM) / 31 /.
Дополнительные преимущества предлагаемого способа заключаются в возможности компенсации с помощью внешнего поля температурной зависимости шага спирали, а следовательно, и характеристик спектрально-селективного преобразования мод /17/.Additional advantages of the proposed method lie in the possibility of compensating with the help of an external field the temperature dependence of the helix pitch, and, consequently, the characteristics of spectrally selective mode conversion / 17 /.
Температурная зависимость шага спирали ХЖК, а следовательно, и центра спектрального диапазона преобразовываемых мод может быть уменьшена за счет выбора вещества ХЖК до 1-0,08 нм/°С и скомпенсирована приложением внешнего поля.The temperature dependence of the step of the CLC helix, and hence the center of the spectral range of the converted modes, can be reduced by choosing a CLC substance to 1-0.08 nm / ° C and compensated by the application of an external field.
Механическая чувствительность устройств пренебрежимо мала, так как шаг спирали ХЖК зависит только от гидростатического давления, а не от формы принимаемой ЖК /24/.The mechanical sensitivity of the devices is negligible, since the step of the CLC spiral depends only on the hydrostatic pressure, and not on the shape of the received LC / 24 /.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить взаимное преобразование собственно волноводных мод, локализованных около сердцевины, с оболочечными модами /1/, распределенными также и по оболочке волокна, которые удерживаются в оболочке за счет полного внутреннего отражения на границе оболочки с воздухом, и с т.н. вытекающими модами /1/, которые медленно излучаются вовне оптоволокна.The proposed method allows for mutual conversion of the actual waveguide modes localized near the core with cladding modes / 1 / distributed also over the fiber cladding, which are held in the cladding due to total internal reflection at the cladding boundary with air, and so on. leaky modes / 1 /, which are slowly emitted outside the optical fiber.
Сущность изобретения поясняется фиг.4-11, на которых представлены схемы устройств, реализующих предложенный способ.The invention is illustrated figure 4-11, which presents a diagram of devices that implement the proposed method.
На фиг.4 схематически изображен общий вид устройства в сечении плоскостью А-А, перпендикулярной оси, с удаленной половиной устройства, симметричной относительно плоскости сечения. На фиг.5 представлено схематическое изображение того же устройства в осевом разрезе. Устройство содержит отрезок оптоволокна, состоящего из цилиндрической сердцевины 1 и оболочки, подводящая часть которой 2 выполнена в виде цилиндрических колец, соосных сердцевине и вытянутых вдоль оси, между которыми размещена часть оболочки 3, также имеющая вид цилиндрического кольца, соосного сердцевине и вытянутого вдоль оси, и электроды 4, между которыми расположена часть оболочки 3. Электроды 4 представляют собой параллельные металлические пластины, вытянутые вдоль оси оптоволокна. Сердцевина 1 и часть оболочки 2 выполнены из вещества с однородным и изотропным показателем преломления, причем показатель преломления сердцевины 1 больше, чем таковой части оболочки 2. Часть оболочки 3 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного таким образом, что ось его спирали параллельна оси оптоволокна.Figure 4 schematically shows a General view of the device in section by a plane AA, perpendicular to the axis, with the removed half of the device symmetrical about the plane of the section. Figure 5 presents a schematic representation of the same device in axial section. The device comprises a segment of optical fiber consisting of a
Другой вариант выполнения устройства схематически изображен на фиг.6, где представлено сечение устройства плоскостью В-В, проходящей через ось волновода, и на фиг.7, где представлено сечение устройства плоскостью, перпендикулярной оси волновода. Устройство содержит оптоволокно с сердцевиной 1 и оболочкой, часть которой 2 выполнена в виде цилиндрического кольца, соосного сердцевине, профиль которого на некотором интервале вдоль оси волокна представляет собой больший сегмент круга, усеченного по хорде. Часть оболочки 3 находится в механическом контакте с частью 2 и имеет вид цилиндра с профилем в виде меньшего сегмента того же круга, усеченного по хорде. Электроды 4, между которыми расположена часть оболочки 3, представляют собой параллельные металлические пластины, вытянутые вдоль оси оптоволокна. Сердцевина 1 и часть оболочки 2 выполнены из вещества с однородным и изотропным показателем преломления, причем показатель преломления сердцевины 1 больше, чем таковой части оболочки 2. Часть оболочки 3 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного таким образом, что ось его спирали параллельна оси оптоволокна.Another embodiment of the device is shown schematically in FIG. 6, which shows a section of the device with a plane BB passing through the axis of the waveguide, and FIG. 7, which shows a section of the device with a plane perpendicular to the axis of the waveguide. The device comprises an optical fiber with a
Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешнего поля шаг спирали ХЖК р0 в части оболочки 3 определяется составом ХЖК. При распространении оптической волноводной моды в области расположения ХЖК в части оболочки 3 происходит интерференция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК. В результате происходит взаимодействие тех и только тех волноводных мод электромагнитного излучения, постоянные распространения которых β1 и β2 удовлетворяют соотношению (7), где шаг спирали ХЖК в части оболочки 3 равен р0. Взаимодействие мод излучения в части оболочки 3, выполненной из ХЖК, приводит к спектрально-селективному преобразованию взаимодействующих мод друг в друга. Спектральная селективность преобразования мод обеспечивается тем, что при заданной длине шага спирали и заданной частоте моды существует лишь конечное число значений постоянной распространения первой моды, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, тогда как при всех остальных значениях постоянной распространения такого преобразования не происходит.The device operates as follows. In the absence of an external field, the pitch of the CLC helix p 0 in part of the
При приложении разности потенциалов к электродам 4 в ХЖК части оболочки 3 возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали ХЖК в части оболочки 3, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления части оболочки 3 вдоль оси волновода. График зависимости шага спирали ХЖК р от напряженности приложенного электрического поля Е представлен на фиг.3. За счет изменения напряженности поля период изменения тензора показателя преломления вдоль оси волновода может быть выбран в интервале от р0/2 до бесконечности. Это, в свою очередь, приводит к перестройке разности β1 и β2 постоянных распространения взаимодействующих между собой мод, связанной с шагом спирали согласно формулам (1) и (8). Изменяя разность потенциалов на электродах 4, управляют разностью постоянных распространения β1-β2 взаимодействующих мод, изменяя ее в пределах от до любого меньшего значения. В результате изменение разности потенциалов, приложенных к электродам, управляет перестройкой значения постоянной распространения первой моды β1, при которых происходит ее преобразование во вторую моду.When applying the potential difference to the
В частности, устройство может обеспечить частичное отражение введенной в устройство моды. Частичное отражение эквивалентно связи мод с постоянными распространения β1 и β2, равными по величине и противоположными по знаку. В результате дифракции на периодических изменениях тензора преломления падающая на область 3 расположения ХЖК волноводная мода при некотором значении постоянной распространения по крайней мере частично отражается с сохранением волноводных свойств. Эффективное частичное отражение имеет место, если период изменения тензора показателя преломления Λ удовлетворяет условию отражения Брэгга (2), то есть, тогда и только тогда, когда постоянная распространения β связана с шагом спирали р соотношением (8), обеспечивая тем самым спектральную избирательность отражения. Волноводные моды с другими постоянными распространения проходят через область расположения 3 ХЖК без отражения.In particular, the device can provide a partial reflection of the mode introduced into the device. Partial reflection is equivalent to the coupling of modes with propagation constants β 1 and β 2 equal in magnitude and opposite in sign. As a result of diffraction due to periodic changes in the refractive tensor, the waveguide mode incident on the
При приложении разности потенциалов к электродам 4 в части оболочки 3, выполненной из ХЖК, возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали ХЖК в части оболочки 3, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления вдоль оси волновода. Шаг спирали р находится для известной величины напряженности электрического поля Е по формулам (4, 5). При каждом значении р отражаются те и только те моды, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8), где шаг спирали р задается выражениями (4, 5). Моды с другими постоянными распространения проходят через устройство без отражения. При увеличении внешнего поля, раскручивающего спираль ХЖК, постоянная распространения отражаемой моды уменьшается от до любого меньшего значения. Тем самым изменение разности потенциалов, приложенных к электродам 4, приводит к перестройке постоянной распространения отражаемой моды в указанных пределах.When a potential difference is applied to the
Как следует из метода связанных мод /2/, ширина спектрального диапазона отражения пропорциональна величине оптической анизотропии ХЖК и доле интенсивности моды, распространяющейся в части 3, выполненной из ХЖК. Изменяя эту долю интенсивности за счет выполнения устройств в соответствии с фиг.6-7, где часть 3, выполненная из ХЖК, расположена на большем или меньшем удалении от сердцевины, можно получать устройства со спектральной полосой отражения меньшей, чем полоса селективного отражения собственно объемных ХЖК, что важно для практических приложений. Следовательно, спектральная селективность предлагаемого устройства превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которая совпадает с шириной полосы отражения используемого ХЖК, определяемой по формуле (3).As follows from the coupled mode method / 2 /, the width of the spectral range of reflection is proportional to the optical anisotropy of the CLC and the fraction of the mode intensity propagating in
На фиг.8-9 схематически изображен вариант устройства, включающего отрезок оптоволокна, содержащего выполненную из ХЖК сердцевину. На фиг.8 представлен общий вид устройства в разрезе плоскостью, перпендикулярной к оси волокна, причем часть устройства, симметричная относительно плоскости разреза, удалена. На фиг.9 представлено сечение устройства плоскостью, перпендикулярной к оси волокна. Устройство содержит выполненную из ХЖК сердцевину 1, оболочку 2 и электроды 4, расположенные на части поверхности оболочки, причем сердцевина 1 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного таким образом, что ось спирали ХЖК параллельна оси оптоволокна. Для сохранения единства сквозной нумерации функциональных элементов на различных иллюстрациях электроды обозначены цифрой 4. Оболочка 2 выполнена из вещества с однородным и изотропным показателем преломления, меньшим, чем средний показатель преломления ХЖК (nе+nо)/2, что обеспечивает существование волноводных мод за счет полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки.On Fig.8-9 schematically depicts a variant of the device, including a piece of fiber containing a core made of CLC. On Fig presents a General view of the device in the context of a plane perpendicular to the axis of the fiber, and part of the device, symmetrical with respect to the plane of the cut, is removed. Figure 9 shows the cross section of the device with a plane perpendicular to the axis of the fiber. The device comprises a
Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешнего поля шаг спирали ХЖК 1 р0 определяется его составом. При распространении волноводной моды в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, происходит интерференция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК. В результате происходит взаимодействие тех и только тех волноводных мод электромагнитного излучения, постоянные распространения которых β1 и β2 удовлетворяют соотношению (7), где шаг спирали ХЖК в сердцевине 1 равен р0. Взаимодействие мод излучения в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, приводит к спектрально-селективному преобразованию взаимодействующих мод друг в друга. Спектральная селективность преобразования мод обеспечивается тем, что при заданной длине шага спирали и заданной частоте моды существует лишь конечное число значений постоянной распространения первой моды, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, тогда как при всех остальных значениях постоянной распространения такого преобразования не происходит.The device operates as follows. In the absence of an external field, the step of the CLC helix 1 p 0 is determined by its composition. When the waveguide mode propagates in the
При приложении разности потенциалов к электродам 4 в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали ХЖК, из которого выполнена сердцевина 1, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления сердцевины 1 вдоль оси волновода. График зависимости шага спирали ХЖК р от напряженности приложенного электрического поля Е представлен на фиг.3. За счет изменения напряженности поля период изменения тензора показателя преломления сердцевины 1 вдоль оси волновода может быть выбран в интервале от p0/2 до бесконечности. Это, в свою очередь, приводит к перестройке разности β1-β2 постоянных распространения взаимодействующих между собой мод, связанной с шагом спирали согласно формулам (1) и (8). Изменяя разность потенциалов на электродах 4, управляют разностью постоянных распространения β1-β2 взаимодействующих мод, изменяя ее в пределах от до любого меньшего значения. В результате изменение разности потенциалов, приложенных к электродам, управляет перестройкой значения постоянной распространения первой моды β1, при которых происходит ее преобразование во вторую моду с постоянной распространения β2.When a potential difference is applied to the
В частности, устройство может обеспечить частичное отражение введенной в устройство моды. Частичное отражение эквивалентно связи мод с постоянными распространения β1 и β2, равными по величине и противоположными по знаку. В результате дифракции на периодических изменениях тензора преломления падающая на область 3 расположения ХЖК волноводная мода при некотором значении постоянной распространения по крайней мере частично отражается с сохранением волноводных свойств. Эффективное частичное отражение имеет место, если период изменения тензора показателя преломления Λ удовлетворяет условию отражения Брэгга (2), то есть, тогда и только тогда, когда постоянная распространения β связана с шагом спирали р соотношением (8), обеспечивая тем самым спектральную избирательность отражения. Волноводные моды с другими постоянными распространения проходят через область расположения 3 ХЖК без отражения.In particular, the device can provide a partial reflection of the mode introduced into the device. Partial reflection is equivalent to the coupling of modes with propagation constants β 1 and β 2 equal in magnitude and opposite in sign. As a result of diffraction due to periodic changes in the refractive tensor, the waveguide mode incident on the
При приложении разности потенциалов к электродам 4 в сердцевине 1, выполненной из ХЖК, возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК.When a potential difference is applied to the
Направление же электрического поля остается постоянным. Это приводит к увеличению шага спирали ХЖК, из которого выполнена сердцевина 1, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления сердцевины 1 вдоль оси волновода. Шаг спирали р находится для известной величины напряженности электрического поля Е по формулам (4, 5). При каждом значении р отражаются те и только те моды, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8), где шаг спирали р задается выражениями (4, 5). Моды с другими постоянными распространения проходят через устройство без отражения. При увеличении внешнего поля, раскручивающего спираль ХЖК, постоянная распространения отражаемой моды уменьшается от до любого меньшего значения. Тем самым, изменение разности потенциалов, приложенных к электродам 3, приводит к перестройке постоянной распространения отражаемой моды в указанных пределах.The direction of the electric field remains constant. This leads to an increase in the step of the CLC spiral from which the
Как следует из метода связанных мод /2/, ширина спектрального диапазона отражения пропорциональна величине оптической анизотропии ХЖК и доле интенсивности моды, распространяющейся в сердцевине, выполненной из ХЖК. Изменяя эту долю интенсивности за счет выполнения устройств в соответствии с фиг.8-9 с различным радиусом сердцевины 1, можно получать устройства со спектральной полосой отражения меньшей, чем полоса селективного отражения собственно объемных ХЖК, что важно для практических приложений. Тем самым спектральная селективность предлагаемого устройства (менее 1 нм) превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которая совпадает с шириной полосы селективного отражения используемого объемного ХЖК и составляет 20-30 нм.As follows from the coupled mode method / 2 /, the width of the spectral reflection range is proportional to the optical anisotropy of the CLC and the fraction of the intensity of the mode propagating in the core made of CLC. By varying this fraction of the intensity due to the implementation of the devices in accordance with Figs. 8-9 with
На фиг.10-11 схематически изображен вариант устройства, включающего волновод с двумя одинаковыми сердцевинами 1А и 1В прямоугольного сечения, расположенными параллельно друг другу и сформированными в подложке 2, которая представляет собой часть оболочки. Другая часть оболочки 3 выполнена из ХЖК, однородно ориентированного вдоль оси волновода. Волновод расположен между электродами 4, находящимися в контакте с его оболочкой и имеющими форму двух пластин, параллельных плоскости, разделяющей подложку 2 и ХЖК 3. Сердцевины 1А и 1В, а также подложка 2 выполнены из вещества с однородным изотропным показателем преломления, причем для обеспечения волноводного распространения света показатель преломления сердцевин больше, чем показатель преломления подложки 2.10-11 schematically depicts a variant of the device, including a waveguide with two
Устройство работает следующим образом. В отсутствие внешнего поля шаг спирали р0 ХЖК, из которого выполнена часть оболочки 3, определяется составом ХЖК. При распространении оптической волноводной моды, сосредоточенной вокруг сердцевины 1А, в области расположения ХЖК части оболочки 3 происходит дифракция электромагнитного излучения на периодических изменениях тензора показателя преломления, обеспечиваемых спиральной структурой ХЖК 3. В результате дифракции происходит взаимодействие введенной моды модами, которые локализуются около сердцевины 1В, постоянные распространения которых β1 и β2 удовлетворяют соотношению , где p0 обозначает шаг спирали ХЖК 3. Взаимодействие мод излучения в области расположения ХЖК части оболочки 3 приводит к спектрально-селективному преобразованию введенной моды, локализованной около сердцевины 1А, в моду, локализованную около сердцевины 1В. Спектральная селективность преобразования мод обеспечивается тем, что при заданной длине шага спирали р0 и заданной частоте моды ν существует лишь конечное число значений постоянной распространения первой моды, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, тогда как при всех остальных значениях постоянной распространения такого преобразования не происходит.The device operates as follows. In the absence of an external field, the helix pitch p 0 of the CLC, from which part of the
При приложении разности потенциалов к электродам 4 в ХЖК части оболочки 3 возникает электрическое поле, перпендикулярное к оси ХЖК. Разность потенциалов, а вместе с ней и напряженность электрического поля в ХЖК, изменяется гармонически с частотой, меньшей частоты диэлектрической релаксации ХЖК. Направление же электрического поля остается постоянным. Приложение электрического поля приводит к увеличению шага спирали в ХЖК части оболочки 3, а вместе с ним и к увеличению периода изменения тензора показателя преломления части оболочки 3 вдоль оси волновода. Период вариации тензора показателя преломления вдоль оси волновода может быть выбран в интервале от р0/2 до бесконечности. Это, в свою очередь, приводит к изменению разности β1-β2 постоянных распространения взаимодействующих между собой мод согласно формуле (1). Изменяя разность потенциалов на электродах 4, управляют разностью постоянных распространения β1-β2 взаимодействующих мод, изменяя ее в пределах от до любого меньшего значения. В результате при изменении амплитуды переменной разности потенциалов, приложенных к электродам 4, происходит перестройка значения постоянной распространения первой моды β1 сосредоточенной около сердцевины 1А, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, сосредоточенную около сердцевины 1В.When applying the potential difference to the
В частности, может быть обеспечено частичное отражение, эквивалентное связи противоположно направленных мод, для которых постоянные распространения β1 и β2 равны по величине и противоположны по знаку. При этом происходит преобразование моды, локализованной около сердцевины 1А, в моду, распространяющуюся в противоположном направлении и локализованной около сердцевины 1В. При каждом фиксированном значении внешнего поля спираль ХЖК 3 обладает периодом р, который находится для известной величины электрического поля по формулам (4, 5). При каждом значении р происходит преобразование тех и только тех моды из сердцевины 1А, постоянная распространения β которых удовлетворяет условию Брэгга (8). При увеличении амплитуды внешнего поля, раскручивающего спираль ХЖК, постоянная распространения отражаемой моды уменьшается от до нуля. В результате при изменении амплитуды переменной разности потенциалов, приложенных к электродам 4, происходит перестройка значения постоянной распространения первой моды β1, сосредоточенной около сердцевины 1А, при которых происходит ее преобразование во вторую моду, сосредоточенную около сердцевины 1В и распространяющуюся в противоположном направлении.In particular, partial reflection equivalent to the coupling of oppositely directed modes can be ensured for which the propagation constants β 1 and β 2 are equal in magnitude and opposite in sign. In this case, a mode localized near the
Устройство, изображенное на фиг.6 и 7, было реализовано следующим образом. Было использовано оптоволокно с диаметром сердцевины 1 8 мкм, диаметром оболочки 2 125 мкм, с показателем преломления сердцевины 1,45 и параметром высоты профиля Δ=0,3%. Для частоты колебаний, соответствующей длине волны 1,55 мкм в вакууме, волокно находится в одномодовом режиме с волноводным параметром V=1,82 /1, 2/. Поперечное сечение оптоволокна представляет собой концентрические круги с центром на оси волокна и радиусами сердцевины и оболочки. На отрезке указанного волокна длиной L=2 мм часть оболочки 3 с профилем в виде части кругового сечения оптоволокна между окружностью и хордой, удаленной от центра круга на расстояние 8 мкм, выполнена из однородно ориентированного ХЖК 3 из группы цианбифинилов с хиральной добавкой BL037 (по каталогу /32/), причем ось спирали ХЖК параллельна оси оптоволокна. Спираль ХЖК правозакрученная, шаг спирали ХЖК равен 1004 нм при температуре 20°С, показатели преломления nе=1,65, n0=1,5, температурная зависимость шага спирали р в интервале 15-50°С составляет -0,2 нм/°С, критическая напряженность электрического поля Еc, при которой происходит полное раскручивание спирали, составляет 19 кВ/см. Отрезок оптоволокна с частью оболочки, выполненной из ХЖК, размещен между плоскопараллельными электродами 4, к которым приложена разность потенциалов, гармонически изменяющаяся с частотой 1 кГц. Отрезок оптоволокна с частью оболочки 3, выполненной из ХЖК, с обоих концов состыкован с подводящими отрезками оптоволокна с теми же характеристиками, оболочка которых полностью выполнена из кварца. Отметим, что, благодаря малости высоты профиля Δ, волновод является слабонаправляющим /1/, следовательно, проекции векторов электрического и магнитного полей волноводных мод на ось волновода пренебрежимо мала по сравнению с величиной перпендикулярных к оси волновода составляющих указанных полей /2, Гл.12, с.222/. Кроме того, в слабонаправляющем волноводе постоянная распространения волноводной моды β связана с волновым числом k соотношением k≈β/n, где n есть показатель преломления сердцевины.The device shown in Fig.6 and 7, was implemented as follows. An optical fiber was used with a core diameter of 1 8 μm, a sheath diameter of 2 125 μm, with a core refractive index of 1.45 and a profile height parameter of Δ = 0.3%. For an oscillation frequency corresponding to a wavelength of 1.55 μm in vacuum, the fiber is in a single-mode regime with a waveguide parameter V = 1.82 / 1, 2 /. The cross section of the fiber is concentric circles centered on the axis of the fiber and the radii of the core and sheath. On a segment of the indicated fiber with a length of L = 2 mm, a part of the
При введении в устройство через подводящий отрезок волокна волноводной моды НЕ11 с правой круговой поляризацией происходит ее распространение в части оболочки 3, выполненной из ХЖК. Поле волноводной моды в сердцевине 1 и части оболочки 2, выполненной из плавленого кварца, может быть представлено в виде суперпозиции падающей и отраженной волноводных мод. Дифракция на периодических вдоль оси волокна изменениях тензора показателя преломления ХЖК 3 приводит к частичному спектрально-селективному отражению волноводной моды в противоположном направлении с сохранением волноводных свойств. В отсутствие разности потенциалов на электродах 4 эффективное отражение волноводной моды происходит в диапазоне частот шириной около 190 ГГц с центром, соответствующим длине волны в свободном пространстве λ=1450 нм. Зависимость доли отраженного света R, равной отношению интенсивностей падающей и отраженной мод, от длины волны в свободном пространстве λ приведена на фиг.12. Зависимость имеет приближенно прямоугольную форму. Ширина диапазона отражения, зависящая от оптической анизотропии ХЖК и от доли интенсивности волноводной моды, распространяющейся в веществе ХЖК, составила около 190 ГГц. Отраженная волновая мода имеет правую круговую поляризацию. Волноводная мода НЕ11 с левой круговой поляризацией проходит через устройство без отражения.When a waveguide mode HE 11 with a right circular polarization is introduced into the device through a lead-in fiber segment, it propagates in the part of the
При приложении разности потенциалов ε к электродам 4 в ХЖК возникает внешнее электрическое поле, направленное перпендикулярно оси спирали ХЖК 3. Это поле увеличивает шаг спирали ХЖК, а вместе с ним и центральную частоту диапазона отражения. При изменении напряженности поля от 0 до 14 кВ/см длина волны в свободном пространстве, соответствующая центральной частоте спектрального диапазона отражения, изменялась от 1450 до 1600 нм. Форма спектральной зависимости R от λ не претерпела существенных изменений. При резком изменении величины внешнего электрического поля постоянный шаг спирали устанавливается за 7 м/с.When the potential difference ε is applied to the
Зависимость шага спирали ХЖК от температуры была скомпенсирована за счет изменения внешнего электрического поля. В результате нежелательная зависимость длины волны отраженного света от температуры составила менее 0,001 нм/°С, тогда как температурная чувствительность традиционных решеток, сформированных в плавленом кварце, гораздо выше и составляет около 0,01 нм/К.The temperature dependence of the step of the CLC helix was compensated by changing the external electric field. As a result, the undesirable temperature dependence of the reflected light wavelength was less than 0.001 nm / ° C, while the temperature sensitivity of traditional lattices formed in fused silica is much higher and amounts to about 0.01 nm / K.
Механическая чувствительность указанной реализации отсутствует из-за нечувствительности шага спирали к изменению формы ХЖК при постоянном гидростатическом давлении, что было обеспечено за счет размещения части волновода, выполненного из ХЖК, в объеме с по крайней мере одной упругой стенкой. В частности, деформации собственно оптоволокна никак не влияют на шаг спирали, а следовательно, и на длину волны диапазона отражаемого света.The mechanical sensitivity of this implementation is absent due to the insensitivity of the helix pitch to a change in the shape of the CLC at constant hydrostatic pressure, which was ensured by placing part of the waveguide made of CLC in a volume with at least one elastic wall. In particular, the deformations of the optical fiber itself do not affect the pitch of the spiral, and, consequently, the wavelength of the range of reflected light.
Описанное устройство позволяет изменять длину шага спирали, увеличивая ее не менее чем на 10%, что приводит к пропорциональному изменению центра спектрального диапазона отражения. В рассматриваемой реализации диапазон изменяется на 150 нм, от 1450 до 1600 нм. Такое изменение длины волны отражаемого света значительно превышает диапазон перестройки, обеспечиваемый механическим растяжением/сжатием или изменением температуры волоконных решеток и составляющий /9, 13/ не более 4% (60 нм) и 2% (30 нм), соответственно.The described device allows you to change the step length of the spiral, increasing it by at least 10%, which leads to a proportional change in the center of the spectral range of reflection. In the implementation under consideration, the range varies by 150 nm, from 1450 to 1600 nm. Such a change in the wavelength of the reflected light significantly exceeds the tuning range provided by mechanical stretching / compression or by changing the temperature of the fiber gratings and constituting / 9, 13 / no more than 4% (60 nm) and 2% (30 nm), respectively.
Спектральная полоса отражения описанного устройства равна 190 ГГц, или 1,7 нм, что значительно меньше, чем ширина полосы селективного отражения собственно объемных ХЖК, равная в данном случае 9,6 ТГц, или 80 нм. Спектральная селективность описанного устройства (1,7 нм) превосходит спектральную селективность устройства, предложенного в /23/, которая совпадает с шириной полосы селективного отражения используемого ХЖК (20-50 нм).The spectral reflection band of the described device is 190 GHz, or 1.7 nm, which is significantly less than the selective reflection bandwidth of the bulk CLC itself, equal in this case to 9.6 THz, or 80 nm. The spectral selectivity of the described device (1.7 nm) exceeds the spectral selectivity of the device proposed in / 23 /, which coincides with the selective reflection bandwidth of the used CLC (20-50 nm).
Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве волоконной решетки Брэгга с перестраиваемой частотой отражаемого света, в системах волоконно-оптической связи, в частности, в системах с частотным разделением каналов (WDM) /31/.The proposed device can be used as a Bragg fiber lattice with a tunable frequency of reflected light, in fiber-optic communication systems, in particular, in systems with frequency division multiplexing (WDM) / 31 /.
Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве волоконно-оптического датчика электрического и/или магнитного полей, а также температуры. Под действием указанных факторов изменяется шаг спирали ХЖК, а вместе с ним и центральная частота отражаемых устройством волн. Сравнивая частоту волноводной моды, отражаемой от участка волновода, где расположен подверженный внешним воздействиям ХЖК, с некоторой эталонной частотой, можно судить о степени изменения шага спирали ХЖК, а вместе с ним находить величину внешнего воздействия.The proposed device can be used as a fiber optic sensor of electric and / or magnetic fields, as well as temperature. Under the influence of these factors, the step of the CLC spiral changes, and with it the central frequency of the waves reflected by the device. Comparing the frequency of the waveguide mode reflected from the portion of the waveguide where the CLC is exposed to external influences with a certain reference frequency, one can judge the degree of change in the pitch of the CLC spiral, and find the magnitude of the external influence with it.
Изобретение может быть использовано для создания частотно-селективного волоконного резонатора с перестраиваемой центральной частотой для обеспечения обратной связи в полупроводниковом лазере.The invention can be used to create a frequency-selective fiber resonator with a tunable center frequency to provide feedback in a semiconductor laser.
Изобретение может быть использовано для обеспечения частотно-селективной обратной связи в волоконном лазере с оптической накачкой (в частности, в волоконном лазере, в котором рабочим веществом является волокно из плавленого кварца с сердцевиной, легированной ионами эрбия).The invention can be used to provide frequency-selective feedback in an optical pumped fiber laser (in particular, in a fiber laser, in which the working substance is fused silica fiber with a core doped with erbium ions).
Источники информацииSources of information
1. Х.-Г. Унгер. Планарные и волоконные оптические волноводы. М., Мир, 1980, 504 с., с.263-300, 303-320, 328-362.1. H.-G. Unger. Planar and fiber optical waveguides. M., Mir, 1980, 504 pp., S. 263-300, 303-320, 328-362.
2. А.Снайдер, Дж.Лав. Теория оптических волноводов. М., Радио и связь, 1987, 656 с., с.9-17, 461-467, 514-519.2. A. Snyder, J. Love. Theory of optical waveguides. M., Radio and Communications, 1987, 656 pp., Pp. 9-17, 461-467, 514-519.
3. Н.И.Калитеевский. Волновая оптика. 3-е изд., М., Высшая школа, 463 с., стр.350-352.3. N.I. Kaliteevsky. Wave optics. 3rd ed., M., Higher School, 463 p., Pp. 350-352.
4. C.M.Ragdale, D.Reid, D.J.Robbins, J.Buus and I.Bennion. Narrowband fibre grating filters. IEEE J Sel.Areas Commun., 1990, v.8, №6, pp.1146-1149.4. C. M. Ragdale, D. Reid, D. J. Robbins, J. Buus and I. Bennion. Narrowband fiber grating filters. IEEE J Sel.Areas Commun., 1990, v. 8, No. 6, pp. 1146-1149.
5. G.Meltz, W.W.Morey, W.H.Glenn. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Opt.Lett., 1989, v.14, №15, pp.823-825.5. G. Meltz, W.W. Morey, W.H. Glenn. Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Opt. Lett., 1989, v. 14, No. 15, pp. 823-825.
6. R.Kashyap et.al. All-fibre narrowband reflection gratings at 1500 nm. Electron. Lett., 24 May 1990, v.26, №11, pp.730-732.6. R. Kashyap et.al. All-fiber narrowband reflection gratings at 1500 nm. Electron Lett., 24 May 1990, v. 26, No. 11, pp. 730-732.
7. Xiyu Feng et. al. Formation technologies of Fiber Bragg gratings. Proc. SPIE. V.3557, pp.198-203, 1998.7. Xiyu Feng et. al. Formation technologies of Fiber Bragg gratings. Proc. SPIE. V.3557, pp. 198-203, 1998.
8. Eric E.Mayer et al. Fiber Bragg grating writing by interferometric or phase mask methods using high-power excimer lasers. Proc. SPIE, v.3618, pp.152-160, 1999.8. Eric E. Mayer et al. Fiber Bragg grating writing by interferometric or phase mask methods using high-power excimer lasers. Proc. SPIE, v. 3618, pp. 152-160, 1999.
9. J.E.Brennan et al. Method for fabrication of in-line optical waveguide index gratings of any length. US Pat., 5912999, 1999.9. J. E. Brennan et al. Method for fabrication of in-line optical waveguide index gratings of any length. US Pat. 5912999, 1999.
10. A.M.Vengsarkar et al. Long-period fiber-grating based gain equalizers. Opt. Lett., v.21, №5, p.336, 1996.10. A.M. Vengsarkar et al. Long-period fiber-grating based gain equalizers. Opt. Lett., V.21, No. 5, p.336, 1996.
11. С.А.Васильев и др. Фотоиндуцированные внутриволоконные решетки показателя преломления для связи мод сердцевина - оболочка. Квантовая электроника, т.24, № 2, с.151, 1997.11. S. A. Vasiliev et al. Photoinduced intra-fiber refractive index gratings for core – clad mode coupling. Quantum Electronics, t.24, No. 2, p.151, 1997.
12. M.M.Ohn et. al. Dispersion variable fibre Bragg grating using a piezoelectric stack. Electron. Lett, 10 Oct. 1996, v.32, №21, pp.2000-2001.12. M.M.Ohn et. al. Dispersion variable fiber Bragg grating using a piezoelectric stack. Electron Lett, 10 Oct. 1996, v.32, No. 21, pp. 2000-2001.
13. A.Iocco, H.G.Limberger and R.P.Salathe. Bragg grating fast tunable filter. Electron. Lett., v.33(25), pp.2147-2148.13. A. Iocco, H. G. Limberger and R. P. Salathe. Bragg grating fast tunable filter. Electron Lett., V. 33 (25), pp. 2147-2148.
14. Hill P.C. and Eggleton B.J. Strain gradient chirp of fibre Bragg gratings. Electron. Lett, 1994, v.30(14), pp.1755-1756.14. Hill P.C. and Eggleton B.J. Strain gradient chirp of fiber Bragg gratings. Electron Lett, 1994, v. 30 (14), pp. 1755-1756.
15. S Jin et. al. US Patent 5781677. Magnetically tunable optical fiber gratings, 1998.15. S Jin et. al. US Patent 5781677. Magnetically tunable optical fiber gratings, 1998.
16. S.Jin et. al. US Patent 6055348. Tunable grating device and optical communication devices and systems comprising same, 2000.16. S. Jin et. al. US Patent 6055348. Tunable grating device and optical communication devices and systems comprising same, 2000.
17. G.Chen et al. Experimental investigation of temperature induced Bragg wavelength shift in UV-written fiber Bragg grating. Proc.SPIE, v.3552, p.129-132, Fiber Optic Components and Optical Communication II, S.Jian, F.K.Tong, R.Maers, Eds., 1998.17. G. Chen et al. Experimental investigation of temperature induced Bragg wavelength shift in UV-written fiber Bragg grating. Proc.SPIE, v.3552, p.129-132, Fiber Optic Components and Optical Communication II, S. Jian, F.K. Tong, R. Maers, Eds., 1998.
18. J.J.Pan. US Patent 5699377: Narrow linewidth, stabilized semiconductor laser source, 1997.18. J.J. Pan. US Patent 5699377: Narrow linewidth, stabilized semiconductor laser source, 1997.
19. J.L.Cruz et al. Fibre Bragg gratings tuned and chirped using magnetic fields. Electron. Lett, 1997, v.33(3), pp.235-236.19. J. L. Cruz et al. Fiber Bragg gratings tuned and chirped using magnetic fields. Electron Lett, 1997, v. 33 (3), pp. 235-236.
20. J.-Y. Liu, K.M. Johnson. US Patent 5361320. Liquid crystal fiber waveguide.20. J.-Y. Liu, K.M. Johnson. US Patent 5361320. Liquid crystal fiber waveguide.
21. Л.М.Блинов. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., Наука, 1978, 384 с., гл.6, §6.2, с.251-253.21. L.M. Blinov. Electro and magneto-optics of liquid crystals. M., Nauka, 1978, 384 pp., Ch.6, §6.2, p.251-253.
22. А.С.Сонин. Введение в физику жидких кристаллов. М., Наука, 1983, 320 с.22. A.S. Sonin. Introduction to the physics of liquid crystals. M., Science, 1983, 320 pp.
23. Y.Shiyudo et. al. Patent of Japan 62165604. Optical fiber having selectively transmitting membrane for single circularly polarized wave, 1987.23. Y.Shiyudo et. al. Patent of Japan 62165604. Optical fiber having selectively transmitting membrane for single circularly polarized wave, 1987.
24. В.А.Беляков, А.С.Сонин. Оптика холестерических жидких кристаллов. М., Наука, 1982, 360 с.24.V.A. Belyakov, A.S. Sonin. Optics of cholesteric liquid crystals. M., Science, 1982, 360 pp.
25. J.Ono, N.Uenishi. Patent of Japan 7306393. Optical fiber type optical modulator, 1995.25. J. Ono, N. Uenishi. Patent of Japan 7306393. Optical fiber type optical modulator, 1995.
26. P.G.de Gennes. Sol.State Comm., v.6, p.163, 1968.26. P.G.de Gennes. Sol. State Comm., V. 6, p. 163, 1968.
27. К.Меуег. Appl. Phys. Lett., v.12, p.281, 1968.27. K. Meueg. Appl. Phys. Lett., V. 12, p. 281, 1968.
28. F.J.Kahn, Phys.Rev.Lett., v.24, p.209, 1970.28. F.J. Kahn, Phys. Rev. Lett., V. 24, p. 209, 1970.
29. Е.Янке, Ф.Эмде, Ф.Леш. Специальные функции. М., Наука, 1977, 342 с., стр.92-94.29. E. Janke, F. Emde, F. Lesh. Special features. M., Nauka, 1977, 342 pp., Pp. 92-94.
30. В.Н.Цветков, Е.И.Рюмцев, И.П.Коломиец, А.П.Ковшик. О макроскопической эквивалентности и различии молекулярных механизмов ориентирующего действия электрических и магнитных полей на нематические жидкие кристаллы. ДАН СССР, т.211, № 4, с.821-824, 1973.30. V.N. Tsvetkov, E.I. Ryumtsev, I.P. Kolomiyets, A.P. Kovshik. About macroscopic equivalence and differences in molecular mechanisms of orienting action of electric and magnetic fields on nematic liquid crystals. DAN USSR, vol. 211, No. 4, p. 821-824, 1973.
31. Sami Hendow. Gratings, amplifiers and sources for high spectral efficiency systems. National Fiber Optic Engineers Conference 2001, Baltimore, Technical Program Proceedings, pp.451-457.31. Sami Hendow. Gratings, amplifiers and sources for high spectral efficiency systems. National Fiber Optic Engineers Conference 2001, Baltimore, Technical Program Proceedings, pp. 451-457.
32. Каталог фирмы Merck Liquid Crystals, Ver.2, August 1994, Section 1.5-1.8, стр.17.32. Merck Liquid Crystals Catalog, Ver. 2, August 1994, Section 1.5-1.8, p. 17.
Claims (5)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001129491/28A RU2234723C2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Method for spectral-selective conversion of modes of optical irradiation in wave-guide and apparatus for performing the same |
PCT/RU2002/000439 WO2003036372A1 (en) | 2001-10-24 | 2002-09-23 | Method for spectral selective transformation of optical radiation modes in a waveguide and device for carrying out said method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001129491/28A RU2234723C2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Method for spectral-selective conversion of modes of optical irradiation in wave-guide and apparatus for performing the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001129491A RU2001129491A (en) | 2003-08-20 |
RU2234723C2 true RU2234723C2 (en) | 2004-08-20 |
Family
ID=20254088
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001129491/28A RU2234723C2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Method for spectral-selective conversion of modes of optical irradiation in wave-guide and apparatus for performing the same |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2234723C2 (en) |
WO (1) | WO2003036372A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2491237C2 (en) * | 2008-05-06 | 2013-08-27 | Драка Комтек Б.В. | Single-mode optical fibre |
RU2644624C2 (en) * | 2016-05-04 | 2018-02-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Method of spatial separation of the optical modes of orthogonal polarizations in a planar waveguide structure |
RU192845U1 (en) * | 2019-05-07 | 2019-10-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | MULTI-APERTURE HIGH FREQUENCY SYSTEM FOR ACCELERATING CLUSTER IONS |
RU2721586C2 (en) * | 2015-11-27 | 2020-05-20 | федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" | Method of selecting optical modes in microresonators using nanoantibodies |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113867063B (en) * | 2021-10-28 | 2022-12-16 | 华南理工大学 | Ferroelectric spiral liquid crystal material and method for realizing second harmonic enhancement |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2046389C1 (en) * | 1989-08-02 | 1995-10-20 | Кубанский государственный университет | Optical modes wave-guide controlled converter |
US5361320A (en) * | 1993-02-19 | 1994-11-01 | University Of Colorado Foundation | Liquid crystal fiber waveguide |
RU2154291C1 (en) * | 1999-02-17 | 2000-08-10 | Ли Си Кен | Method for raising efficiency of linear optoelectronic digital-to-analog signal converter |
-
2001
- 2001-10-24 RU RU2001129491/28A patent/RU2234723C2/en not_active IP Right Cessation
-
2002
- 2002-09-23 WO PCT/RU2002/000439 patent/WO2003036372A1/en not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2491237C2 (en) * | 2008-05-06 | 2013-08-27 | Драка Комтек Б.В. | Single-mode optical fibre |
RU2721586C2 (en) * | 2015-11-27 | 2020-05-20 | федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" | Method of selecting optical modes in microresonators using nanoantibodies |
RU2644624C2 (en) * | 2016-05-04 | 2018-02-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" | Method of spatial separation of the optical modes of orthogonal polarizations in a planar waveguide structure |
RU192845U1 (en) * | 2019-05-07 | 2019-10-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | MULTI-APERTURE HIGH FREQUENCY SYSTEM FOR ACCELERATING CLUSTER IONS |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2003036372A1 (en) | 2003-05-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hill et al. | Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview | |
Dianov et al. | In-fiber Mach-Zehnder interferometer based on a pair of long-period gratings | |
Ivanov et al. | Cladding modes of optical fibers: properties and applications | |
US7352939B2 (en) | Polarization insensitive microbend fiber gratings and devices using the same | |
US8718411B2 (en) | Tunable optical supercontinuum enhancement | |
US7457495B2 (en) | Method of filtering optical signals with a capillary waveguide tunable optical device | |
KR20010098469A (en) | Mechanically induced, long period optical fiber gratings | |
US6768835B2 (en) | Tunable mode-converters using few mode fibers | |
JP4504561B2 (en) | Variable optical fiber Bragg long-period grating | |
US7409133B2 (en) | Capillary waveguide tunable optical device | |
RU2234723C2 (en) | Method for spectral-selective conversion of modes of optical irradiation in wave-guide and apparatus for performing the same | |
Huang et al. | Narrowband all-fiber acousto-optic tunable add-drop filter based on dispersion-compensating fiber | |
RU2176411C1 (en) | Acoustooptical frequency filter | |
JP2004310114A (en) | Microstructure optical waveguide for providing periodic structure and resonant structure | |
Silva et al. | Reflectivity and bandwidth modulation of fiber Bragg gratings in a suspended core fiber by tunable acoustic waves | |
Song et al. | Acousto-optic generation of orbital angular momentum states of light in a tapered optical fiber | |
KR100399588B1 (en) | Electrically Controllable Liquid Crystal Optical Fiber Grating Device | |
Czapla et al. | Electrically tunable long-period fiber gratings with low-birefringence liquid crystal near the turn-around point | |
Yen et al. | Silicon photonics multi-channel Bragg reflectors based on narrowband cladding-modulated gratings | |
Zhang et al. | A tunable interferometric optical bandpass filter based on flexural acoustic wave modulation in a SMF‐MOF hybrid configuration with fiber offset splicing output | |
Shamrai et al. | New method to control the shape of spectral characteristics of Bragg gratings in electrooptical materials | |
Berneschi et al. | Glass Microspheres as Optical Resonators | |
Lin et al. | Wavelength-tunable doughnut beam generation using few-mode long-period fiber grating | |
Digonnet et al. | Single-mode fibre-optic components | |
Greene | Photoinduced, refractive-index gratings in germanium-doped two-mode, elliptical-core optical fibers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081025 |