SK101796A3 - Acousto-optical waveguide device, tunable, with polarisation- -independent response and a method for acousto-optical processing of the optical signals - Google Patents

Description

Prekladaný vynález sa týka akusticko - optického vlnovodného zariadenia, laditeľného, s polarizačné nezávislou odozvou a spôsobu akusticko - optického spracovania optických signálov.

Doterajší stav techniky

V telekomunikačných sieťach s multiplexovaním na základe rozdelenia vlnových dĺžok je niekoľko optických signálov, nezávislých jeden od druhého a/alebo niekoľko kanálov odovzdávaných po tej istej linke, pozostávajúce zvyčajne z optického vlákna, pomocou multiplexovania na základe rozdelenia vlnových dĺžok, t.j. súčasným prenosom signálov s rôznymi vlnovými dĺžkami na základe rôznych frekvencií. Prenášané signály alebo kanály môžu byť buď digitálne alebo analógové a sú od seba navzájom odlíšené, lebo každý z nich je asociovaný so špecifickou vlnovou dĺžkou. Vo vnútri siete sú uzly, kde sú signály prepínané z liniek tvorených optickými vláknami, ktoré prichádzajú do uzla liniek optických vlákien, do liniek tvorených optickými vláknami, ktoré vychádza z tohto uzla. Aby bolo možné vyberať signály vo vnútri uzla, je kvôli zjednodušeniu jeho architektúry možné používať na vlnovú dĺžku citlivé optické prepínače. Na výstupe siete, opäť kvôli separácii jednotlivých signálov, je potrebné použiť filtre, ktoré sú schopné prenášať pásmo vlnových dĺžok, ktoré má stred rovný vlnovej dĺžke signálu a je dostatočne úzke, aby blokovalo susedné signály.

Sú známe integrované akusticko - optické zariadenia, ktorých činnosť je založená na interakcii medzi svetelnými signálmi, šírenými vo vinovodoch získaných zo substrátu z dvojlomného a fotoelastického materiálu a akustickými vlnami, šíriacimi sa po povrchu substrátu a generovanými vhodným prevodníkom. Interakcia medzi polarizovaným optickým signálom a akustickou vlnou vytvára polarizačnú konverziu signálu, t.j. natočenie polarizácie jeho TE (transverzálnej - priečnej elektrickej) a TM (transverzálnej - priečnej - magnetickej) zložky.

V takýchto akusticko - optických zariadeniach je možné ovládaním frekvencie optických vín ladiť krivku spektrálnej odozvy zariadenia, čo ich robí vhodnými na použitie ako prepínače a ako optické filtre signálov v optických telekomunikačných sieťach s multiplexovaním na základe rozdelenia vlnových dĺžok. Takéto laditeľné prepínače a filtre dovoľujú meniť výber signálu, a tým rekonfigurovať sieť bez zmeny kabeláže ich komponentov.

Tieto akusticko - optické zariadenia tiež dovoľujú prepínanie a súčasný výber rôznych signálov a kanálov, ak šírenie akustických vín, šíriacich sa po povrchu substrátu, je superpozíciou rôznych akustických vín. Prepínače totiž vykonávajú kombinované prepínanie signálov o vlnových dĺžkach, zodpovedajúcich súčasne použitým frekvenciám a filtre majú priepustné pásmo zodpovedajúce súboru rôznych rozsahov vlnových dĺžok, určených frekvenciami akustických dĺžok.

Pohlmann a kol. v IEEE Journal of Quantum Electronics (Vol. 27, č. 3, strany 602 - 607, marec 1991) popisuje akusticko - optické vlnovodné zariadenie s výberom vlnových dĺžok, akusticky laditeľné, s polarizačné nezávislou odozvou, ktorá môže byť použitá ako prepínač s dvoma vstupmi a dvoma výstupmi (2 x 2) a ako filter.

Tento prepínač, ukázaný na obr. 4 článku, obsahuje substrát, pozostávajúci z kryštálu niobičnanu lítneho (LiNbO₃) s rezom v smere osi x a šírením v smere osi y, dva paralelné optické vlnovody, dva pasívne polarizačné oddeľovače (splittery), elektroakustický prevodník, akustický vlnovod a akustické absorbéry. Optické vlnovody a elektro - akustický prevodník vytvárajú akusticko - optickú sústavu konverzie módu. Elektro - akustický prevodník je tvorený navzájom sa prelínajúcimi (interdigitálnymi) elektródami, schopnými vytvárať povrchové akustické vlny s rádiovými frekvenciami (RF) s centrálnou frekvenciou 180 MHz. Akustický vlnovod má šírku 150 mikrónov a obsahuje obidva optické vlnovody. Akustické absorbéry sú používané na elimináciu odrazov akustickej vlny a voľne sa šíriacich vín.

Optické vlnovody a polarizačné oddeľovače sú vytvorené difúziou titánu v substráte a kanál akustického vlnovodu je tiež tvorený difúziou titánu v oblastiach ich obklopujúcich. Vzájomne sa prelínajúce elektródy elektro - akustického prevodníka sú tvorené nanesením oxidu cínu a oxidu india katódovým nanášaním.

D. A. Smith a kol. v Applied Physics Letters (Vol. 56, č. 3, strany 209 - 211, január 1990) popisuje akustický laditeľný optický filter s polarizačné nezávislou odozvou rovnakého typu ako je zariadenie, ktoré popísali Pohlmann a kol. Filter D. A. Smitha a kol. je vyrobený z kryštál niobičnanu lítneho s rezom podľa osi x a šírením v smere osi y, 5 cm dlhým a zahrňuje dva optické vlnovody s odstupom 27 mikrónov, elektro - akustický prevodník, pozostávajúci zo vzájomne sa prelínajúcich elektród a dvoch polarizačných oddeľovačov, pozostávajúcich zo smerových väzobných členov.

D' Alessandro a kol. v IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 6, č. 3, strany 390 - 393, marec 1994) popisuje akusticko - optický prepínač rovnakého typu ako je zariadenie Pohlmanna a kol. Prepínač D'Alessandra a kol. je vyrobený z XY kryštálu niobičnanu lítneho, 5 cm dlhého a obsahuje dva optické vlnovody, elektro - akustický prevodník, akustický vlnovod, v ktorom sú obsiahnuté optické vlnovody a z dvoch pasívnych polarizačných oddeľovačov vytvorených pomocou protónovej výmeny/titánovej difúzie a žíhania. Prepínač pracuje so štyrmi signálmi, majúcimi vlnové dĺžky oddelené od seba po 4 nm v oblasti 1546 až 1558 a štyrmi pilotnými rádiovými frekvenciami o hodnotách 175,89 MHz, 175,38 MHz, 174,86 MHz, 174,42 MHz, ktoré volia štyri optické vlnové dĺžky.

John J. Johnson a kol. v US patente 5.218.653 popisuje akusticko - optické zariadenie podobné zariadeniu, ktoré popísal D'Alessandro a kol. (obr. 2).

Akusticko - optické zariadenia popísané vyššie pracujú ako laditeľné 2x2 prepínače s polarizačné nezávislou odozvou.

Ak je zvolený kanál s danou vlnovou dĺžkou, optické signály s touto vlnovou dĺžkou, vchádzajúce daným vstupom sú prevádzané na zodpovedajúci krížový (cross-state) výstup a signály vchádzajúce druhým vstupom sú prevádzané na zodpovedajúci druhý krížový výstup (prepínač je v stave krížového prenosu). Nezvolené signály sú prevádzané z daného vstupu na zodpovedajúci priamy výstup (prepínač je v stave priameho prenosu - bar-state).

Tieto zariadenia pracujú ako akusticko - optické filtre s laditeľným priepustným pásmom a s polarizačné nezávislou odozvou za krížových prepínacích podmienok, kde iba jeden vstup je použitý súčasne so zodpovedajúcim krížovým výstupom.

Vyššie popísané zariadenia majú niekoľko nedostatkov.

Zariadenie používa jednostupňovú akusticko - optickú konverziu; v takomto jednom stupni je konverzia polarizácie v dôsledku interakcie medzi optickým signálom a akustickou riadiacou vlnou v dvoch optických vlnovodoch sprevádzaná posunom frekvencie o hodnotu rovnú frekvencii akustickej vlny. Takýto posun frekvencie v popísaných konfiguráciách má opačné znamienko v závislosti od polarizácie optického signálu, takže dva oddelené ortogonálne polarizačné komponenty majú kladný a záporný posun.

Posun frekvencie optického signálu akustickou konverznou frekvenciou môže vytvárať rázové problémy v telekomunikačných sieťach.

Aby bol obmedzený frekvenčný posun dvoch polarizácií v dvoch optických vlnovodoch, boli navrhnuté akusticko - optické zariadenia, v ktorých je s každým optickým vlnovodom spojený zodpovedajúci akustický vlnovod.

H. Hermann a kol. v Proceedings ôth European Conference on Integrated Optics, stránky 10.1 až 10.3, apríl 1993 (ECIO '93, Neuchatel, Švajčiarsko) popisuje 2x2 akusticko - optický prepínač (obr. 10), obsahujúci dva optické vlnovody a dva akustické vlnovody umiestnené vedľa seba, pričom v každom z nich je obsiahnutý optický vlnovod a kde sa povrchové akustické vlny šíria v opačných smeroch.

John J. Johnson a kol. v US patente 5.218.653 popisujú akusticko - optické zariadenie podobné zariadeniu H. Hermanna a kol. (obr. 3).

Podstata vynálezu

Akusticko - optické zariadenie typu popísaného H. Hermannom a kol. bolo vytvorené prihlasovateľom. V tomto zariadení sú dva optické vlnovody pripojené k dvom polarizačným oddeľovačom s väzbou polarizačného módu, spojené s vlnovodmi oblasťami zakrivenými do tvaru S a dva akustické vlnovody, každý z nich obsahujúci zodpovedajúci optický vlnovod. S každým akustickým vlnovodom je spojený elektro - akustický prevodník, vytváraný vzájomne sa prelínajúcimi elektródami. Dva optické vlnovody sú zhruba 18 mm dlhé a vzdialené 270 mikrónov, polarizačné oddeľovače sú dlhé asi 5 mm, oblastí zakrivené do S sú dlhé asi 8 mm s polomerom zakrivenia zhruba 160 mm. Celková dĺžka zariadenia je asi 60 mm.

Pokiaľ je zariadenie v OFF stave (priamy prenos), celkové zistené straty sú asi 2 dB pre TM vstup a asi 5 dB pre TE input, čo dáva polarizačné závislú stratu (PDL polarization dependent loss) 3 dB, spôsobenú prítomnosťou štyroch oblastí zakrivených do S pre pripojenie každého polarizačného oddeľovača. Presluch pri plne krížovom stave je v rozmedzí -18 dB až -20 dB, čo zodpovedá rozdeľovaciemu pomeru polarizačných oddeľovačov.

Pokiaľ je zariadenie v ON stave (krížový prenos), boli zistené celkové straty asi 2 dB pre TM vstup a 3 dB pre TE vstup. Polarizačné závislá strata je nižšia vzhľadom k rozloženiu strát prepínača v obidvoch polarizáciách.

Prepínacia charakteristika má šírku pásma 2,0 nm a prvý bočný lalok -20 dB. Konverzná účinnosť je väčšia ako 99 % (pre obidva optické vlnovody uvažované zvlášť). Pre vstupný signál polarizovaný na 45 vzhľadom k normálu na povrch substrátu je extinkčný pomer zariadenia obmedzený na asi -16 dB, čo je dôsledok akustickej krížovej väzby rádu -17 dB viazanej akustickej sily a toho, že stredná (celková) konverzná účinnosť bola znížená na asi 80 % v dôsledku neprispôsobenia konverzných vlnových dĺžok z 0,2 nm na 0,5 nm.

Špeciálne bolo pozorované, že isté zložky akustickej vlny, šíriace sa akustickým vlnovodom, interferujú s optickým signálom, šíriacim sa v súčasne s ňou optickom vlnovode. To spôsobuje vzrast medzikanálových presluchov zhruba -18 dB v stave priameho prenosu.

Naviac frekvenčný posun, alebo neprispôsobenie, optického signálu môže mať absolútnu hodnotu, ktorá je rôzna v dvoch optických vlnovodoch vzhľadom k nedostatočnej homogenite substrátu. Materiál substrátu a materiál, ktorý vytvára optické vlnovody, môžu mať nie celkom dokonale rovnomernú dvojlomnosť, napríklad vďaka nedokonalostiam v priebehu výroby, ako sú nerovnomerná hrúbka a/alebo šírka nanesenej vrstvy titánu alebo nerovnomerný gradient difúznej teploty titánovej vrstvy. Malé miestne odchýlky dvojlomnosti spôsobujú odchýlku špičiek vlnových dĺžok prepínaných medzi dvoma optickými vlnovodmi, ktorá je o to väčšia, o čo väčšia je vzdialenosť medzi vlnovodmi.

Na kompenzáciu frekvenčného posunu, ku ktorému dochádza v akusticko optickom zariadení s jedným konverzným stupňom, boli navrhnuté akusticko optické zariadenia s dvoma konverznými stupňami v sérii.

Kwok - Wai Cheung a kol. v US patente 5.002.349 popisuje akusticko optické zariadenie zahrňujúce dva akusticko - optické stupne v sérii a dva vlnovodné polarizačné oddeľovače pred a po každom stupni. Každý stupeň je vybavený elektro - akustickým prevodníkom.

Prihlasovateľ pozoroval, že zoslabenie, ktorému sú optické signály podrobené pri priechode takýmto zariadením, je zhruba dvojnásobné oproti tomu, aké je pozorované v jednostupňovom zariadení, vzhľadom k štyrom priechodom polarizačnými oddeľovačmi.

Naviac, celková dĺžka zariadenia je aspoň dvojnásobná v porovnaní s jednostupňovým zariadením, ktorá sa tým približuje kritickej veľkosti bežne užívaných substrátov z niobičnanu lítneho.

Jeden z aspektov predkladaného vynálezu spočíva v akusticko - optickom zariadení, selektívnym vzhľadom k vlnovej dĺžke, nezávislým od polarizácie, obsahujúcim substrát z dvojlomného a fotoelastického materiálu, na ktorom sa nachádzajú:

a) aspoň jeden stupeň konverzie polarizačného módu optického signálu vo vopred zvolenej oblasti vlnových dĺžok, ktorý zahrňuje a1) prvý a druhý optický vlnovod, ktoré sú navzájom zhruba rovnobežné a nachádzajú sa vo vopred zvolenej vzdialenosti, a2) prvý prostriedok na generovanie akustickej povrchovej vlny, asociovaný s uvedeným prvým a druhým optickým vlnovodom a a3) prvý akustický vlnovod, obsahujúci aspoň jednu časť uvedeného prvého a druhého optického vlnovodu, a4) pričom ako prvý, tak i druhý z uvedených optických vlnovodov sú schopné prijímať jednu z dvoch navzájom ortogonálnych polarizačných zložiek uvedeného optického signálu a sú schopné vydávať zodpovedajúcu zložku ortogonálnej polarizácie,

b) prvý a druhý polarizačné selektívny prvok, umiestnený pred a po uvedenom konverzným stupňom a opticky pripojený k uvedenému prvému a druhému vlnovodu kvôli oddelenému odovzdávaniu uvedených dvoch polarizačných zložiek, ktorého podstatou je, že v uvedenom substráte sú tiež vytvorené

c) aspoň jeden kompenzačný stupeň pre konverziu polarizačného módu uvedeného optického signálu v uvedenej vopred zvolenej oblasti vlnových dĺžok, zahrňujúci c1) aspoň jeden tretí optický vlnovod, opticky pripojený k prvému alebo druhému z uvedených polarizačné selektívnych prvkov, c2) druhý prostriedok na generovanie akustickej povrchovej vlny asociovaný s uvedeným tretím optickým vlnovodom a c3) druhý akustický vlnovod, obsahujúci aspoň jednu časť uvedeného tretieho optického vlnovodu, c4) pričom uvedený tretí optický vlnovod je sériovo pripojený ku konverznému stupňu polarizačného módu a c5) uvedený tretí optický vlnovod vedie uvedené dve polarizované zložky v kombinovanej podobe.

Vo výhodnom vyhotovení uvedený kompenzačný stupeň ďalej zahrňuje:

d) štvrtý optický vlnovod, zhruba paralelný s uvedeným tretím optickým vlnovodom a umiestnený vo vopred zvolenej vzdialenosti od neho, d1) uvedený štvrtý optický vlnovod je opticky pripojený k uvedenému prvému alebo druhému polarizačnému selektívnemu prvku, d2) uvedený druhý generujúci prostriedok akustickej povrchovej vlny je asociovaný s uvedeným štvrtým optickým vlnovodom, d3) uvedený druhý akustický vlnovod obsahuje aspoň časť uvedeného štvrtého optického vlnovodu, d4) uvedený tretí a štvrtý optický vlnovod sú pripojené k zodpovedajúcim vetvám optického vlnovodu a oddelené a vzdialené najmenej o veľkosť uvedeného tretieho a štvrtého optického vlnovodu tak, že ako uvedený tretí optický vlnovod, tak uvedený štvrtý optický vlnovod vedú uvedené dve polarizačné zložky v kombinovanej forme.

Uvedený prvý a druhý optický vlnovod a uvedený tretí a štvrtý optický vlnovod sú výhodne vzdialené o asi 40 mikrónov.

Podľa iného výhodného vyhotovenia sú v aspoň jednom kompenzačnom stupni a konverznom stupni aplikované na uvedený substrát adjustačné prvky, schopné meniť teplotu aspoň jedného z uvedených kompenzačných a konverzných stupňov za účelom kompenzácie nehomogénnej dvojlomnosti materiálu uvedeného substrátu a uvedených optických vlnovodov a korekcie chýb akusticko - optickej interakcie.

Druhý aspekt vynálezu je predstavovaný metódou akusticko - optického prepínania optického signálu, zahrňujúci nasledujúce kroky:

oddelenie polarizačných zložiek optického signálu do dvoch rôznych vlnovodných dráh, konverzia oddelených polarizácií uvedeného signálu v oboch uvedených dráhach pomocou akusticko - optickej interakcie s prvou spoločnou akustickou vlnou, kombinácia uvedených polarizácií uvedeného optického signálu, ktorá sa vyznačuje tým, že:

v sérii s uvedenými krokmi zahrňuje ďalší krok konverzie neoddelených polarizácií uvedeného optického signálu pomocou akustickej interakcie s druhou spoločnou akustickou vlnou, pričom uvedená druhá akustická vina má frekvenciu rovnú uvedenej prvej akustickej vlne.

Akustické zariadenie podľa vynálezu môže byť používané ako prepínač 2x2, 1 x 2 a 2 x 1, laditeľný, s polarizačné nezávislou odozvou a/alebo ako laditefný filter s polarizačné nezávislou odozvou.

Kompenzačný stupeň zariadenia podľa predkladaného vynálezu dovoľuje kompenzáciu frekvenčného posunu, ku ktorému dochádza v konverznom stupni, pôsobením na polarizačné zložky v kombinovanej forme. To dovoľuje vyrobiť akusticko - optické zariadenie s veľmi jednoduchou a funkčnou architektúrou. Spolu so zjednodušenou architektúrou je tiež veľmi obmedzená dĺžka zariadenia, ktorá je okolo 40 mm, čo je len o málo viac ako u zariadenia, ktoré zahrňuje iba konverzný stupeň a dva polarizačné selektívne prvky spolu so zodpovedajúcimi zakriveniami.

Neprispôsobenie vlnových dĺžok, ktoré je dosiahnuteľné so zariadením podľa predkladaného vynálezu, je veľmi malé, menšie ako 0,1 nm. To redukuje medzikanálové presluchy v stave priameho prenosu (bar-state) na menej ako - 20 dB. Je to spôsobené prítomnosťou iba jedného akustického vlnovodu, čo vylučuje akustické presluchy a blízkosťou optických vlnovodov (vzdialenosť okolo 40 mikrónov) s veľmi malým neprispôsobením vlnových dĺžok.

Naviac môže byť tento účinok ďalej zlepšený použitím adjustačných prvkov, schopných meniť teplotu konverzných a kompenzačných stupňov na ladenie zodpovedajúcich frekvenčných posunov týchto dvoch stupňov. Tým sú minimalizované negatívne vplyvy možnej nehomogénnej dvojlomnosti substrátu a nehomogénnosti parametrov vlnovodov. Naviac prítomnosť jediného akustického vedenia v dvoch stupňoch odstraňuje fenomén akustickej väzby medzi dvoma optickými vlnovodmi, čo by penalizovalo extinkčný pomer polarizačné selektívnych prvkov. Extinkčný pomer každého polarizačné selektívneho prvku zariadenia podľa vynálezu je okolo -25 dB.

Zariadenie má veľmi nízke vstupné straty a polarizačné závislé straty (PDL polarization dependent losses). Bola pozorovaná maximálna celková strata 3 dB.

Prehľad obrázkov na výkrese

Vlastnosti a výhody vynálezu budú teraz ilustrované s odvolaním na vyhotovenie vynálezu, znázornené ako príklady na pripojených obrázkoch, ktoré neobmedzujú rozsah vynálezu.

Obr. 1 je schematické znázornenie 2x2 akusticko - optického prepínača, laditeľného, s polarizačné nezávislou odozvou, vyrobeného podľa vynálezu.

Obr. 2 ukazuje variant prepínača z obr. 1.

Obr. 3 je schematické znázornenie laditeľného akusticko - optického filtra s polarizačné nezávislou odozvou, vyrobeného podľa vynálezu.

Obr. 4 ukazuje prvky teplotnej adjustácie použité v prepínači alebo filtri podľa obr. 1 a obr. 2.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 je zobrazený 2x2 akusticko - optický prepínač, laditeľný, s polarizačné nezávislou odozvou, vyrobený podľa vynálezu. Prepínač zahrňuje substrát 1 z dvojlomného a fotoelastického materiálu, vyrobený z niobičnanu lítneho (LiNbO₃).

V substráte 1 sú vytvorené dve vstupné vetvy 2 a 3 optických vlnovodov, každá z nich sa skladá z dvoch častí 4, 5, resp. 6, 7 s opačným zakrivením. Zakrivené časti 4 a 6 vytvárajú dva vstupy 8 a 9, ktoré je možné spojiť s optickým vláknom telekomunikačnej siete pomocou spojovacích zariadení, neznázornené. Vzhľadom k objektu, dovoľujúcemu pripojenie uvedených optických vlákien (s priemerom zhruba 250 mikrónov) sú vstupy 8 a 9 vzdialené o najmenej 125 mikrónov. Zakrivené časti 4 a 6 začínajú vzdialené o zhruba 250 mikrónov a zakrivené časti 5 a 7 končia vzdialené o zhruba 40 mikrónov. Polomer zakrivenia zakrivených častí 4, 5, 6 a 7 je okolo 100- 180 mm.

V substráte 1_ je vytvorený kompenzačný stupeň 10, zahrňujúci dve paralelné vetvy 1_1 a 12 optických vlnovodov, pripojené k zakriveným častiam 5 a 7, akustický vlnovod 13, obsahujúci paralelné vetvy H a 12 a elektro - akustický prevodník 14, vytvorený vzájomne sa prelínajúcimi elektródami a schopný vytvárať povrchovú akustickú vlnu s rádiovou frekvenciou. Prevodník 14 je umiestnený v optickom vlnovode 15. umiestnenom súbežne a komunikujúcim s optickým vlnovodom 14. čím sa vytvára akustický väzobný člen. Uvedený akustický väzobný člen je vytvorený tak, že rozloženie intenzity akustickej povrchovej vlny pozdĺž vlnovodu 15 má vrchol v strednej časti uvedeného vlnovodu a dve zníženia na koncoch toho istého vlnovodu. Optické signály šíriace sa pozdĺž paralelných vetiev 11 a 12 interagujú s povrchovou akustickou vlnou, majúcou rastúcu intenzitu do polovice ich cesty a klesajúcu intenzitu v druhej polovici ich cesty, ktorá má vopred zvolenú dĺžku, pozdĺž ktorej dochádza k interakcii. Na koncoch akustického vlnovodu 15 sú akustické absorbčné prostriedky 16, schopné eliminovať odrazy akustickej vlny. Akustické vlnovody 13 a 15 sú obklopené oblasťami 50, kde je rýchlosť akustických vín vyššia ako vo vlnovodoch 13 a 15.

V substráte sú tiež vytvorené dva polarizačné selektívne prvky 18 a 19, jeden konverzný stupeň 20 a dve výstupné vetvy 21 a 22 optických vlnovodov.

Polarizačné selektívne prvky 18 a 19 sú tvorené prechodnými vlnovo polarizačnými oddeľovačmi alebo smerovými väzobnými členmi, z ktorých každý zahrňuje centrálny optický vlnovod 23, pripadne 24 a dvojice vstupný a výstupný optický vlnovod 25, 26, 27, 28, resp. 29, 30, 31 a 32.

Konverzný stupeň 20 zahrňuje dve paralelné vetvy 33 a 34 optického vlnovodu, pripojené k páru výstupných vlnovodov 27 a 28 polarizačného oddeľovača 18 a k páru vstupných vlnovodov 29 a 30 polarizačného oddeľovača 19, jeden akustický vlnovod 35, obsahujúci vetvy 33 a 34 a elektro - akustický prevodník 36, vytvorený vzájomne sa prelínajúcimi elektródami, schopný vytvárať povrchovú akustickú vlnu s rádiovou frekvenciou. Prevodník 36 je umiestnený v akustickom vlnovode 37, umiestnenom súbežne a komunikujúcim s optickým vlnovodom 35, Čím sa vytvára akustický väzobný člen. Na koncoch akustického vlnovodu 35 sú akustické absorbčné prostriedky 16. Akustické vlnovody 35 a 37 sú obklopené oblasťami 50, kde je rýchlosť akustických vín vyššia ako vo vlnovodoch 35 a 37.

Každá z dvoch výstupných vetiev 21 a 22 optických vlnovodov zahrňuje dve opačne zakrivené časti 40, 41 a 42, 43. Zakrivené časti 40 a 42 sú pripojené k výstupným optickým vlnovodom 31 a 32 polarizačného oddeľovača 18. Zakrivené časti 41 a 43 vytvárajú dva výstupy 44 a 45, ktoré je možné pripojiť optickým vláknom k telekomunikačnej sieti, nezobrazené. Zakrivené časti 40 a 42 začínajú vzdialené o zhruba 40 mikrónov a zakrivené časti 41 a 43 končia vzdialené o zhruba

250 mikrónov. Polomer zakrivenia zakrivených častí 40, 41, 42 a 43 je zhruba 100 10 mm.

Paralelné vetvy 11 a 12 a paralelné vetvy 33 a 34 sú umiestnené vo vzdialenosti zhruba 40 mikrónov. Šírka akustických vlnovodov 15 a 35 je zhruba 110 mikrónov.

Činnosť prepínača podľa vynálezu prebieha nasledujúcim spôsobom:

Pokiaľ nie je na elektro - akustické prevodníky 14 a 36 privedené napätie, prepínač je vo vypnutom stave (off-state) a je v stave priameho prenosu (bar-state), v ktorom existuje priama korešpondencia medzi vstupmi 8 a 9 a výstupmi 44 a 45. Svetelné signály vstupujú vstupmi 8 a 9 a sú prenášané paralelnými vetvami H a 12 kompenzačného stupňa 10 s kombinovanou TE (transverzálnou - priečnou elektrickou) a TM (transverzálnou - priečnou - magnetickou) polarizačnou zložkou. Signály, ktoré vstupujú do polarizačného oddeľovača 1_8, v ktorom sú polarizačné zložky TE a TM oddelené do vlnovodov 27 a 28, prechádzajú nezmenené vetvami 33 a 34 konverzného stupňa 20 a sú potom oddelené vo vlnovodoch 31 a 32 polarizačného oddeľovača 19, takže signály vstupujúce vstupmi 8 a 9 vychádzajú nezmenené výstupmi 44 a 45.

Privedením vhodného prepínacieho signálu na elektródy prevodníkov 14 a 36 sa prepínač dostane do zapnutého stavu (on-state) a prechádza do podmienok krížového prenosu (cross-state), v ktorom sú vstupy 8 a 9 v korešpondencii s krížovo zodpovedajúcimi výstupmi 45 a 44. Prevodníky 14 a 36 vytvárajú zodpovedajúce povrchové akustické vlny s rádiovou frekvenciou o budiacej akustickej frekvencii f (zhruba 174 ± 10 MHz pre zariadenie pracujúce pri 1550 nm a 210 ±10 MHz pre zariadenie pracujúce pri 1300 nm), zodpovedajúcej vlnovej dĺžke optickej rezonancie, pri ktorej dochádza k polarizačnej konverzii TE -» TM a TM TE. Svetelné signály vchádzajú s kombinovanými polarizačnými zložkami TE a TM do paralelných vetiev 11_ a 12 kompenzačného stupňa 10 a sú transformované do zodpovedajúcich ortogonálnych zložiek, ktoré zostávajú kombinované. Signály vstupujú do polarizačného oddeľovača 18, v ktorom sú polarizačné zložky TE a TM oddelené a prichádzajú vetvami 33 a 34 konverzného stupňa 20, kde sú rekonvertované do pôvodných polarizačných stavov. Polarizačné zložky TE a TM sú potom oddelené v polarizačnom oddeľovači 19 takým spôsobom, že zvolené polarizačné zložky zo vstupu 8 vychádzajú výstupom 45 spolu so zložkami prichádzajúcimi zo vstupu 9 a ktoré neboli zvolené a zvolené polarizačné zložky zo vstupu 9 vychádzajú výstupom 44 spolu so zložkami prichádzajúcimi zo vstupu 8 a ktoré neboli zvolené. Signály, ktoré v konverznom stúpi 20 boli podrobené konverzii polarizácii, sú vedené v plne krížovom stave, čím dochádza k úplnému prepnutiu.

Pri konverzii - polarizácii v kompenzačnom stupni 10 sú polarizačné zložky TE a TM podrobené frekvenčnému posunu, ktorého znamienko závisí od polarizácie rovnako tak ako od smeru šírenia akustických vín vo vzťahu k optickej vlne podľa nasledujúceho diagramu.

Šírenie

Polarizácia kolineárna kontralineárna

TE +

TM - +

Pri prechode do konverzného stupňa 20 a za podmienok, že druhá akustická vlna sa šíri v rovnakom smere ako prvá, je frekvenčný posun kompenzovaný pri spätnej konverzii k originálnemu polarizačnému stavu.

Na to, aby prvá a druhá akustická vlna mali tú istú frekvenciu, je výhodné, aby bol použitý jediný budiaci elektrický signál, privedený na obidva elektro - akustické prevodníky 14 a 36.

Prepínač na obr. 1 je symetrický v zmysle, že správne pracuje, ak vstupy 8 a 9 a výstupy 44 a 45 sú zamenené a ak pôvodné výstupy pracujú ako vstupy a pôvodné vstupy pracujú ako výstupy.

Ako je znázornené na obr. 2, ak sú zakrivené časti 4, 5, 6 a 7 a optický vlnovod 12 prepínača z obr. 1 eliminované, môže tým vzniknúť prepínač 1x2 (demultiplexor), v ktorom je vstup 80 tvorený vlnovodovou vetvou 110. Vo variante môže byť prepínač podľa obr. 2 použitý ako prepínač 2x1 (multiplexor), pokiaľ sú pôvodné výstupy 44 a 45 použité ako vstupy.

Na obr. 3 je znázornený akusticko - optický filter, laditeľný, s polarizačné nezávislou odozvou, vyrobený podľa vynálezu. Filter podľa obr. 3 má niektoré časti, ktoré sú identické s časťami prepínača z obr. 2, ktoré sú indikované tými istými vzťahovými značkami. Filter obsahuje substrát 1_z dvojlomného a fotoelastického materiálu, predstavovaného niobičitanom lítnym (LiNbO3), v ktorom sa nachádza kompenzačný stupeň 100, dva polarizačné selektívne prvky 18 a 19 a konverzný stupeň 20 a výstupná vlnovodná vetva 220.

Kompenzačný stupeň 100 zahrňuje optickú vlnovodnú vetvu 110, ktorá vytvára vstup 80, ktorý je možné pripojiť na optické vlákno telekomunikačnej siete, akustický vlnovod 1_3, obsahujúci vetvu H a elektro - akustický prevodník 14, schopný generovať povrchovú akustickú vlnu s rádiovou frekvenciou. Prevodník 14 je umiestnený v optickom vlnovode 15 súbežne a komunikujúci s optickým vlnovodom 14. Na koncoch akustického vlnovodu 15 sa nachádzajú akustické absorbéry 16. Výstupná vetva 220 vlnovodu je pripojená na výstupný vlnovod 32 polarizačného oddeľovača 19 a vytvára výstup 450, ktorý je možné pripojiť k optickému vláknu telekomunikačnej siete.

Pokiaľ je filter vo vypnutom stave, nachádza sa v podmienkach priameho prenosu a optické signály vstupujúce vstupom 8 sú vedené do vlnovodu 31 polarizačného oddeľovača 19 a môžu byť absorbované pomocou optického absorbéru, nezobrazené. Pri privedení vhodného napätia na elektródy prevodníkov 14 a 36 sú konverziou módu s polarizačnými zložkami spojenými v stupni 100 a konverziou módu s polarizačnými zložkami oddelenými v konverznom stupni 20 zvolené optické signály, majúce vlnovú dĺžku zodpovedajúcu akustickej budiacej frekvencii. Zvolené signály sú prevádzané zo vstupu 8 kompenzačného stupňa 100 na výstup 45 za podmienok krížového prenosu, takže filter pracuje ako laditeľná pásmová priepusť.

Výhodou filtra je veľmi jednoduchá architektúra a jeho funkčnosť je lepšia ako u konvenčných akusticko - optických filtrov s jedným konverzným stupňom predovšetkým vďaka absencii frekvenčného posunu. S kalibrovanou akusticko optickou väzbou má filter predovšetkým malú šírku pásma (menšiu alebo rovnú 2 nm) a nízku hodnotu krížového prenosu (-20 dB).

Filter má veľmi malú celkovú stratu (približne 1,5 dB).

Prepínač a filter z obr. 1 a 2 môžu pracovať pri izbovej teplote s pásmom vlnových dĺžok so šírkou aspoň 100 nm širokým so stredom u vlnovej dĺžky 1550 nm alebo 1300 nm, čo je obzvlášť výhodné pre optické telekomunikácie.

Substrát 1 pozostáva z kryštálu LiNbO₃ s rezom kolmo k osi x, vlnovody H, 12, 23, 24, 33, 34 a 110 sú orientované pozdĺž osi y. Namiesto LiNbO₃ je možné použiť iný dvojlomný, fotoelastický a piezoelektrický materiál, zvolený zo súboru zahrňujúceho LiTaO₃, TeO2, CaMoO₄. Celková dĺžka zariadenia je okolo 40 až 50 mm.

Optické vlnovody 14, 15. 36 a 37 prepínača a filtra na obr. 1 a 2 môžu byť vyrobené pomocou fotolitografickej masky ohraničujúcej pásy 50 substrátu 1., aby bola dosiahnutá šírka 110 mikrónov optických vlnovodov 14 a 36. Vo vnútri oblasti ohraničenej oknom masky je nanesená vrstva titánu s hrúbkou 160 nm a vykonaná následná difúzia titánu do substrátu po 31 hodín v peci s teplotou 1 060° C. Vďaka účinku difúzie sa rýchlosť akustických vín zvýši o zhruba 0,3 %, takže oblasti 50 pôsobia ako obmedzovače akustických vín okolo vlnovodov 14 a 36.

Optické vlnovody a polarizačné oddeľovače môžu byť vyhotovené difúziou na substráte látkou schopnou zvýšiť index odrazu. Použitím fotolitografie je možné získať vrstvu titánu, majúcu hrúbku okolo 120 nm a nasleduje difúzia po 9 hodín pri teplote 1 030° C. Pre optické vlnovody má maska apertúru so šírkou okolo 7 mikrónov.

Optické a akustické vlnovody sú výhodne monomodálne pre použité optické a akustické vlny.

Vzájomne sa prelínajúce elektródy elektro - akustických prevodníkov 14 a 36 sú nanesené na (piežoelektrický) substrát 1_so sklonom okolo 5° vzhľadom k osi y. Výhodne prevodník obsahuje 15-20 alebo viac vzájomne sa prelínajúcich elektród s periódou okolo 20,8 mikrónov. Elektródy majú výhodne premenenú rozteč (kolísanie) k rozšíreniu pásma odoziev. Veľkosť periódy je odvodená od veľkosti vlnovej dĺžky v LiNbO₃ pre akustickú povrchovú vlnu s frekvenciou zhruba 173,5 MHz, čo je hodnota nutná pre konverziu medzi TE a TM pri optickej vlnovej dĺžke asi 1550 nm. Zmenou periódy elektród je možné vytvoriť prevodník vhodný pre akusticko - optické zariadenie pracujúce pri iných vlnových dĺžkach. Elektródy môžu byť vytvorené nanesením kovovej vrstvy s hrúbkou 500 nm, napríklad hliníka, na substrát.

Akusticko - optické zariadenie je možné ladiť na vlnovú dĺžku 1500 nm alebo 1600 nm, t.j. posunutú o 50 nm proti strednej vlnovej dĺžke 1550 nm, privedením výkonu zhruba 100 mW na vzájomne sa prelínajúce elektródy, proti (okolo) 50 mW potrebným pre činnosť pri strednej vlnovej dĺžke.

Na obr. 4 je znázornené akusticko - optické zariadenie, prepínač alebo filter, u ktorého sú v kompenzačnom stupni 10 alebo 100 a v kompenzačnom stupni 20 k substrátu priložené dve malé medené doštičky 60 a 61 a dve Peltierove bunky 62 a 63, nesené bázou 64, ktoré pôsobia ako tepelne adjustačné prvky. Pomocou Peltierových buniek je možné meniť teplotu stupňov 10 alebo 100 a 20 tak, aby bol kompenzovaný nedostatok homogenity ako materiálu substrátu 1, tak i materiálu, ktorý určuje optické vlnovody a korigovať tak chyby parametrov optických vlnovodov.

Claims (16)

1. Akusticko - optické vlnovodné zariadenie, selektívne vzhľadom k vlnovej dĺžke, nezávislé od polarizácie, obsahujúce substrát (1) z dvojlomného a fotoelastického materiálu, na ktorom sa nachádzajú

a) aspoň jeden stupeň (20) konverzie polarizačného módu optického signálu vo vopred zvolenej oblasti vlnových dĺžok, ktorý zahrňuje a1) prvý a druhý optický vlnovod (33, 34), ktoré sú navzájom zhruba rovnobežné a nachádzajú sa vo vopred zvolenej vzdialenosti, a2) prvý prostriedok (36) na generovanie akustickej povrchovej vlny asociovaný s uvedeným prvým a druhým optickým vlnovodom (33, 34) a a3) prvý akustický vlnovod (35), obsahujúci aspoň jednu časť uvedeného prvého a druhého optického vlnovodu (33, 34), a4) pričom ako prvý, tak i druhý z uvedených optických vlnovodov (33, 34) sú schopné prijímať jednu z dvoch navzájom ortogonálnych polarizačných zložiek uvedeného optického signálu a sú schopné vydávať zodpovedajúcu zložku ortogonálnej polarizácie,

b) prvý a druhý polarizačné selektívny prvok (18, 19), umiestnený pred a po uvedenom konverznom stupni (20) a opticky pripojený k uvedenému prvému a druhému vlnovodu (33, 34) kvôli oddelenému odovzdávaniu uvedených dvoch polarizačných zložiek, vyznačujúce sa tým, že v uvedenom substráte (1) sú tiež vytvorené

c) aspoň jeden kompenzačný stupeň (10, 100) pre konverziu polarizačného módu uvedeného optického signálu v uvedenej vopred zvolenej oblasti vlnových dĺžok, zahrňujúci c1) aspoň jeden tretí optický vlnovod (11, 110), opticky pripojený k prvému alebo druhému z uvedených polarizačné selektívnych prvkov (18,19), c2) druhý prostriedok (14) na generovanie akustickej povrchovej vlny asociovaný s uvedeným tretím optickým vlnovodom (11, 110) a c3) druhý akustický vlnovod (13), obsahujúci aspoň jednu časť uvedeného tretieho optického vlnovodu (11,110), c4) pričom uvedený tretí optický vlnovod (11, 110) je sériovo pripojený ku konverznému stupňu (20) polarizačného módu a c5) uvedený tretí optický vlnovod (11, 110) vedie uvedené dve polarizované zložky v kombinovanej podobe.

2. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že uvedený kompenzačný stupeň (10) ďalej zahrňuje

d) štvrtý optický vlnovod (12), zhruba paralelný s uvedeným tretím optickým vlnovodom (11) a umiestnený vo vopred zvolenej vzdialenosti od neho, d1) uvedený štvrtý optický vlnovod (12) je opticky pripojený k uvedenému prvému alebo druhému polarizačnému selektívnemu prvku (18, 19), d2) uvedený druhý generujúci prostriedok (14) akustickej povrchovej vlny je asociovaný s uvedeným štvrtým optickým vlnovodom (12), d3) uvedený druhý akustický vlnovod (13) obsahuje aspoň časť uvedeného štvrtého optického vlnovodu (12), d4) uvedený tretí a štvrtý optický vlnovod (11, 12) sú pripojené k zodpovedajúcim vetvám (2, 3) optického vlnovodu a oddelené a vzdialené najmenej o veľkosť uvedeného tretieho a štvrtého optického vlnovodu (11, 12) tak, že ako uvedený tretí optický vlnovod (11), tak uvedený štvrtý optický vlnovod (12) vedú uvedené dve polarizačné zložky v kombinovanej forme.

3. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že uvedený prvý a druhý optický vlnovod (33, 34) a uvedený tretí a štvrtý optický vlnovod (11,12) sú vzdialené o asi 40 mikrónov.

4. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 3, vyznačujúce sa tým, že uvedený prvý a druhý akustický vlnovod (35, 13) majú šírku asi 110 mikrónov.

5. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 2, vyznačujúce sa tým, že prístupové vetvy (2, 3) optických vlnovodov majú dve zakrivené časti (4, 5; 6, 7) s opačným zakrivením.

6. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že uvedený druhý polarizačné selektívny prvok (19) je pripojený k výstupným vetvám (21, 22), z ktorých každá obsahuje dve zakrivené časti (40, 41; 42, 43) s opačným zakrivením.

7. Akusticko - optické zariadenie podľa nárokov 5 alebo 6, vyznačujúce sa tým, že uvedené zakrivené časti (4, 5, 6, 7; 40, 41, 42, 43) sú zakrivené podľa oblúka kružnice majúcej polomer v rozmedzí od 100 do 180 mm.

8. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že aspoň v jednom z uvedených kompenzačných stupňov (10, 100) a konverznom stupni (20) k substrátu prilieha adjustačný prvok (60, 61; 62, 63), ktorý môže meniť teplotu aspoň jedného kompenzačného alebo konverzného stupňa (10, 100, 20) tak, aby bola kompenzovaná nehomogénnosť dvojlomnosti materiálu uvedeného substrátu (1) a uvedených optických vlnovodov (33, 34; 11 ;110,12).

9. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 8, vyznačujúce sa tým, že uvedené adjustačné prvky (60, 61; 62, 63) zahrňujú dve malé medené doštičky (60, 61) a dve Peltierove bunky (62, 63) priliehajúce na substrát (1).

10. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že uvedený prvý a druhý prostriedok (36, 14) na generovanie akustickej povrchovej vlny pozostávajú z elektro - akustického prevodníka (36, 14), vytvoreného vzájomne sa prelínajúcimi elektródami, ktoré môžu vytvárať akustickú povrchovú vlnu s rádiovou frekvenciou.

11. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 10, vyznačujúce sa tým, že uvedený elektro - akustický prevodník (36, 14) je umiestnený v akustickom vlnovode (37, 15), umiestnený súbežne a komunikujúci s prvým alebo druhým akustickým vlnovodom (35, 14), čím sa vytvára akustický väzobný člen s vopred určenou dĺžkou interakcie.

12. Akusticko - optické zariadenie podľa nároku 10, vyznačujúce sa tým, že obsahuje dva elektro - akustické prevodníky (36, 14), na ktoré je privádzaný spoločný budiaci signál.

13. Spôsob akusticko - optického prepínania optických signálov zahrňujúci nasledujúce kroky:

oddelenie polarizačných zložiek optického signálu do dvoch rôznych vlnovodných dráh, konverzia oddelených polarizácií uvedeného signálu v obidvoch uvedených dráhach pomocou akusticko - optickej interakcie s prvou spoločnou akustickou vlnou, kombinácie uvedených polarizácií uvedeného optického signálu, vyznačujúci sa tým, že v sérii s uvedenými krokmi zahrňuje ďalší krok konverzie neoddelených polarizácií uvedeného optického signálu pomocou akustickej interakcie s druhou spoločnou akustickou vlnou, pričom uvedená druhá akustická vlna má frekvenciu rovnú uvedenej prvej akustickej vlne.

14. Spôsob podľa nároku 13, vyznačujúci sa tým, že jemné dolaďovanie aspoň jedného z uvedených polarizačné konverzných krokov zahrňuje adjustáciu teploty substrátu, nesúceho uvedené vlnovodné cesty.

15. Spôsob podľa nároku 13, vyznačujúci sa tým, že uvedený krok konverzie polarizácií prostredníctvom akusticko - optickej interakcie zahrňuje privedenie prvého elektrického signálu s danou frekvenciou k prvému elektro - akustickému prevodníku (14) a uvedený ďalší polarizačné konverzný krok s využitím akusticko - optickej interakcie zahrňuje privedenie druhého elektrického signálu s tou istou uvedenou danou frekvenciou k druhému elektro - akustickému prevodníku (36).

16. Spôsob podľa nároku 15, vyznačujúci sa tým, že jediný elektrický signál s danou frekvenciou je privedený ako na prvý (14), tak i na druhý (36) elektro akustický prevodník.