Оптичний відгалужувач з квч управлінням

Изобретение относится к интегральной оптике, а именно - к направленной коммутации оптического луча электромагнитной волной миллиметрового субмиллиметрового диапазона (КВЧ диапазона), и может быть использовано в оптических системах передачи сигналов. Известен оптический ответвитель [Заявка Великобритании № 1437067, кл. G 02 F1 /31 опублик, 1976], в котором оптически соединяемые волноводы образуются в полупроводниковой структуре и управление показателем преломления осуществляется путем подачи электрического напряжения (смещения). Недостатком описанного ответвителя является низкое быстродействие управляющего эффекта и сравнительно низкая частота коммутируемого светового потока. Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является оптический ответвитель [Патент ЕПВ № 04011925, кл. G 02 F 1/015, опублик. 1990]. состоящий из pi-n-структуры, причем в областях рип распространяются световые потоки, а і слой служит буферным слоем между слоями p и n. При вводе светового потока, например, в n слой часть световой энергии через і слой передается в ρ слой и наоборот, на чем и основан принцип действия ответвителя. При подаче напряжения на p и n слои p-i-n структуры (перпендикулярного светового потока) меняется соотношение между шириной і области и областями рип, что и обеспечивает управление каналами ответвителя. Недостатками известного ответвителя являются: значительные потери мощности светового потока из-за его рассеивания на свободных носителях при распространении потока в легированных рип областях, особенно в те* случаях когда частота светового потока соответствует междузонным электронным переходам или переходам с локального уровня в зону проводимости или в валентную зону; недостаточное быстродействие, ограниченное временем релаксации носителей заряда в структурах полупроводников и чувствительность по управляющему сигналу вследствие ее зависимости от структуры полупроводниковой матрицы, характера и величины управляющего напряжения. Указанные недостатки исключают возможность достижения технического результата, эквивалентного результату, полученному при использовании предлагаемого технического решения. В основу предполагаемого изобретения -оптического ответвителя с КВЧ управлением поставлена техническая задача путем технологических и конструктивных решений, выбора характера и вида управляющего воздействия обеспечить снижение потерь мощности проходящего через ответвитель светового потока при одновременно повышении быстродействия и чувствительности управления световым потоком и относительном повышении верхней границы диапазона частот коммутируемого сигнала. Поставленная техническая задача достигается тем, что световой поток распространяется не в легированных рип областях, как в прототипе, а в I слое, что исключает рассеяние света свободными носителями и уменьшает потери его мощности. Это способствует и то, что управление световыми потоками осуществляют периодической р-1-п решеткой, расположенной параллельно первому и второму плечам ответвителя. Предложенная ширина і области p-1-n структуры, меньшая чем в прототипе и однослойное ее построение, обеспечивает ускоренный процесс рекомбинации носителей во всем объеме рип областей, электрически связанных с источником управляющего напряжения, чем обеспечено более высокое, по сравнению с прототипом, быстродействие. Этому же способствует и, выбранный в качестве управляющего, сигнал КВЧ диапазона. Достигнутое путем конструктивного построение матрицы р-i-n структуры более близкое взаимное расположение "р" и "n" областей, при сопоставимых абсолютных значениях подведенного к ним напряжения управляющего КВЧ сигнала, повышает чувствительность (реакцию) ответвителя на управляющее воздействие. Сопоставительный анализ заявленного технического решения и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых элементов и их взаимным расположением и связями между ними и с известными элементами, следовательно, заявленное устройство соответствует критерию "новизна". Сопоставление с другими известными техническими решениями показывает, что введенные элементы порознь и в различных сочетаниях известны. Однако, их введение в указанной взаимосвязи между собой и с известными элементами придают последнему дополнительно новые свойства, а именно - позволяют: уменьшить составляющую рассеиваемого светового потока; повысить чувствительность и динамику управления перераспределения световых потоков Φ1 и Ф 2; повысить верхнюю границу диапазона частот перераспределяемых световых потоков. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень". На фиг.1 изображен предлагаемый оптический ответвитель, общий вид; на фиг.2 -эпюры выходных световых потоков - а) выходного светового потока Φι первого плеча; б) выходного светового потока Ф1 второго плеча. Оптический ответвитель с КВЧ управлением (фиг.1) состоит из поверхностно-ориентированной полупроводниковой интегральной структуры 1 со сформированной на ее основе матрицей p-i-n диодов, токопроводящих электродов А, А1, электрически связанных с p и n слоями структуры, светопроводящих слоев 2 1-полупроводника входящего и 4-исходящего световых потоков, изолирующего из η полупроводника слоя 3, изолирующей подложки 5. Принцип действия и суть происходящих физических процессов, в результате которых реализована поставленная техническая задача, состоит в следующем; в статическом состоянии, когда отсутствует управляющее напряжение на р-n областях p-1-n матрицы, подаваемое извне посредством электродов А, А1 (фиг.1), подводимый к слою 2 световой поток Ф0, трансформируется основной частью мощности в световой поток Φ1 (первое плечо) и лишь незначительная ее часть, преломляясь, через слой 4 трансформируется в световой поток Ф2 (второе плечо). Действие ответвителя основано на том, что всякая периодическая структура (го фрированный слой), нанесенная на одну из сторон волновода приводит к отражению распространяющейся по этому волноводу световой волны. Замена гофрированного слоя с постоянной решеткой на управляемую приводит, во-первых, к изменению периода структуры, а во-вторых, к изменению амплитуды гофрирования за счет изменения показателя преломления из-за изменения концентрации свободных носителей (плазменный эффект). Таким образом, в динамике, подавая через электроды А, А1 КВЧ управляющее напряжение в соответствии с вышеизложенным., во-первых, ослабляют световой поток первого плеча Φι за счет изменения периода гофрирования ρ-1-n структуры, во-вторых, изменяют показатель преломления в этом плече. Оба эти факторы способствуют увеличению мощности светового потока Ф2 второго плеча. Характер распределения мощностей световых потоков Φ1 и Ф2 во времени в динамическом режиме работы ответвителя проиллюстрирован на фиг.2а, б. В предложенном ответвителе частота работы определена обратным временем релаксации носителей на поверхности. Ввиду ее малой величины эта частота находится в области КВЧ диапазона, что позволило снизить инерционность и управлять структурой напряжением более высокой частоты, что и обеспечило высокое быстродействие, а также повысить верхнюю границу диапазона частот управляемого светового потока. Поверхностно-ориентированная конструкция полупроводниковой интегральной структуры ответвителя позволила получить ширину проводящих ρ-1-n слоев, соизмеримую с длинной волны проходящего светового потока, что позволило повысить чувствительность ответвителя при сопоставимых абсолютных значениях управляющего напряжения. Предложенный ответвитель с КВЧ управлением, как один из элементов широкой номенклатуры устройств и приборов интенсивно развивающихся коммуникационных систем, может быть изготовлен на действующи х в Украине промышленных предприятиях. Те хнологическая, техническая и сырьевая база, при надлежащем финансовом обеспечении, отвечает соответствующим требованиям промышленного освоения ответвителя.