Функциональные элементы на основе градиентного ppln Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 548.52, 621.3.09

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ГРАДИЕНТНОГО PPLN

Валерий Викторович Галуцкий

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоэлектроники, тел.(861)219-95-33

Виталий Федорович Кузора

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аспирант кафедры оптоэлектроники, тел. (861)219-95-33

Валерий Александрович Никитин

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат технических наук, профессор кафедры оптоэлектроники, тел.(861)219-95-33

Елена Валерьевна Строганова

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоэлектроники, тел. (861)2199-533, e-mail: stroganova@phys.kubsu.ru

Сергей Андреевич Шмаргилов

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аспирант кафедры оптоэлектроники, тел. (861)219-95-33

Николай Андреевич Яковенко

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, доктор технических наук, профессор кафедры оптоэлектроники

В работе проведены исследования принципов реализации функциональных оптических элементов на примере градиентных PPLN. Показано уширение полосы пропускания градиентных преобразователей по сравнению с идеализированным нулевым рассогласованием групповых скоростей входных каналов.

Ключевые слова: логические элементы, оптический преобразователь, ниобат лития.

FUNCTIONAL ELEMENTS ON THE BASIS OF GRADIENT PPLN

Valeriy V. Galutskiy

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya str., Ph. D., Associate Professor at the Department of Optoelectronics, tel. (861)219-95-33

Vitaliy F. Kuzora

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya str., Postgraduate at the Department of Optoelectronics, tel. (861)219-95-33

Valeriy A. Nikitin

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya str., Ph. D., Prof. of Department of Optoelectronics, tel. (861)219-95-33

Elena V. Stroganova

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya str., Ph. D., Associate Professor at the Department of Optoelectronics, tel. (861)219-95-33

Sergey A. Shmargilov

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya str., Postgraduate at the Department of Optoelectronics, tel. (861)219-95-33

Nikolay A. Yakovenko

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya str., Doctor of Sciences, Prof. of Department of Optoelectronics, tel. (861)219-95-33, e-mail: stroganova@phys.kubsu.ru

Researches of principles of realization of functional optical elements on PPLN from gradient lithium niobate are carried out in work. It is shown the broadening pass-band of such converter in comparison with an idealized situation of a zero mismatch of group speeds of entrance channels.

Key words: logic elements, optical convertor, lithium niobate.

В настоящее время схемы предоставления услуг ШПД для абонентов являются достаточно сложными и разветвленными. Из-за аппаратных и функциональных ограничений маршрутизаторов, сервисы приходиться разносить на множество разных устройств. На каждом маршрутизаторе используется большое количество выделенных процессоров. Под каждую функциональную задачу (BRAS, NAT и т.д.) существует специфичный SOFT, что в свою очередь создаёт дополнительные сложности в процессе эксплуатации. На фрагментах сети при прохождении трафика электро-оптические преобразования производятся многократно, что является ограничивающим фактором при ее масштабировании. В настоящее время поиск методов построения систем обработки и преобразования информации ведется по нескольким направлениям, связанным с созданием оптических логических элементов и оптоэлектронных процессоров пассивного и активного действия, связанных с многоуровневым преобразованием информации в лазерных устройствах. Одним из перспективных устройств, позволяющим реализовать функции нескольких типов оптических логических вентилей являются так называемые PPLN-структуры, реализующие функции четырехволнового смешения. PPLN-структуры - это созданная в нелинейном кристалле ниобата лития периодически поляризованная структура, в которой осуществляется чередование доменов, с ориентацией осей поляризации соседних областей относительно друг друга под углом 1800.

Принцип реализации оптических логических элементов с помощью PPLN-преобразователя с волноводным каналом представлен на рис. 1. Два независимых потока данных в виде амплитудно модулированной интенсивности света на длинах волн Asa и ASB поступают на входы A и В соответственно. Далее они вместе с непрерывной оптической накачкой на длине волны Ар вводятся в PPLN-волновод, в котором реализуются нелинейные оптические взаимодействия по генерации суммарной и разностной частот в условиях квазисинхронизма. Выходы Y1 и Y2 - это выходной сигнал из PPLN-преобразователя на длинах

волн XSA и XSB, соответственно. В процессах генерации суммарной и разностной частоты (SFG-DFG процессах, соответственно), SFG взаимодействие конвертирует один фотон входного канала А на длине волны XSA и другой фотон входного канала В на длине волны XSB в фотон суммарной частоты на длине волны XSF (Выход Уз). Фотон суммарной частоты одновременно через процесс генерации разностной частоты (DFG) при взаимодействии с фотоном накачки на длине волны Хр преобразуется в фотон холостой волны на длине волны поступающий на выход У4 (рис. 1).

PPL

III II lllll

Выход У1 -►

Выход У2 -►

Выход Уз -►

Выход У4

4

Рис. 1. Структурная схема логических элементов на PPLI структуре

Однако, величина рассогласования при БЕО-ОЕО процессах является постоянной только тогда, когда состав кристалла постоянен вдоль направления взаимодействия. В предложенном нами методе выращивания градиентных кристаллов [1], состав кристалла можно изменять по содержанию основных и примесных компонентов по длине. Градиент содержания основных компонентов по длине преобразователя будет влиять на зависимость значений групповых скоростей сигналов и их дисперсий от длины преобразователя, например по линейному или параболическому закону. Считая известной зависимость коэффициентов преломления от состава кристалла ЫМЬО3, определяемой уравнением Сельмеера [2], оценим влияние градиента состава в РРЬК-преобразователе на эффективность реализации в нем логических элементов.

В работе рассмотрены несколько градиентов концентрации основных компонентов (без градиента, линейный и параболический градиент). Для моделирования прохождения сигналов через PPLN структуру использовали систему уравнений [3], вытекающую из уравнений Максвелла, в которых Л8Л, Л8В, АР, Л8Р и Л^ - комплексные амплитуды напряженности световой волны сигналов на длинах волн Х8Л, Х8В, ХР, Х8Р, поступающих на вход А и В, вход оптической накачки РРЬК, выходы У1, У2, У3.

Для расчетов использовали две независимые псевдослучайные последовательности бит, поступающие на входы каналов А и В. Форма импульсов - гиперболический секанс, ширина импульсов 5 пс. Длина PPLN - варьировалась

л

до 4 см, эффективная апертура волновода 50 мкм , период следования доменов 18,8 мкм, что обеспечивает условия квази-фазового синхронизма для длины

волны генерации суммарных частот 772 нм. Нелинейный коэффициент deff = 17,2 пм/В. Центральные длины волн каналов А и В 1550 и 1538 нм. Длина волны накачки 1555 нм (третье телекоммуникационное окно прозрачности), длина холостой волны, которая генерируется процессом DFG, составляла 1533,2 нм. Пиковые значения мощности сигналов А и В и сигнала накачки 1000, 1000*XSA/XSB и 100 мВт соответственно.

Результаты моделирования прохождения оптических импульсов через градиентные PPLN-структуры представлены на рис. 2. Видно, что уменьшение амплитуды каналов А и В на выходе при совпадение импульсов на входе преобразователя является существенной величиной и позволяет задавать логические уровни сигналов.

<и

н 1 о

л н о о к я S о К <и н К

я о

■ вход A ■выход Y1

Л

т, 1Щ\

А

| Г—I-г-^ I I г—г

50 100

время, пс

а

ш,

| Г I Г I г I

150 200

Н 1

о

Л

н о о к я S о К <и н К

s о

- вход B ■ ■ выход Y2 .

А

ш

50

-1—I—г

100 время, пс

150

б

200

К 1 н 1

Л

н о о к я S о К и н К

к 0

■ выход Y3

А

50

100 время, пс

А

150

в

200

0

0

0

Рис. 2. Временной вид импульсов на входе и выходе преобразователя

На основе проведенных расчётов можно составить таблицу истинности работы логических элементов на РРЬК-структуре. Выход У1 - модулированная

интенсивность света на длине волны Х^ (т.е. частота оптической несущей ю^), выход Y2 - модулированная интенсивность света на длине волны Хж (на частоте оптической несущей ю^), выход Y3 - модулированная интенсивность света на длине волны Х1 (на частоте оптической несущей ю^, выход Y4 - модулированная интенсивность света на длине волны Х^ (на частоте оптической несущей ю^).

Из табл. видно, что на выходе Y3 и Y4 осуществляется логическое умножение сигналов на входе А и В. Отличие выходов Y3 и Y4 состоит в том, что частота оптической несущей выхода Y4 - это сумма несущих частот входов A и Б. А несущая частота выхода - находится из выражения для генерации разностных частот (ОРС-процесс): 0}, = ~ , где сор - частота оптической накачки РРРЫ.

Таблица

Таблица истинности для структурной схемы логических элементов

Вход А Выход Y1 Вход В Выход Y2 Выход Yз Выход Y4

0 0 0 0 0 0

0 0 1 1 0 0

1 1 0 0 0 0

1 0 1 0 1 1

Из табл. также следует, что на выходе Y1 реализуется логическая функция а ■ в , а на выходе У2 реализуется логическая функция в а .

Также для оценки эффективности работы оптического вентиля на градиентных кристаллах использовали выражение для Р-фактора:

2 = 201°ёю

А " Мо

(1)

(Т.+Сг0

где ц1 и ц пороговые мощности логических единицы и нуля, а - среднеквадратичное отклонение.

Проведена оценка режима работы вентиля на РРЬК-преобразователе при взаимном изменении длин волн входов А и В при сохранении постоянным значения суммарной частоты ю^ (рис. 3). Видно, что при снижении Р-фактора для градиентного кристалла по сравнению с идеализированной ситуацией нулевого ЗБО-ВЕО рассогласования полоса пропускания становится шире на 12% по уровню 15 дБ.

1450 1500 1550 1600 1650 длина волны канала А, нм

Рис. 3. Зависимость Q-фактора от длины волны канала А

Проведенные модельные исследования работы логического элемента послужили отправной точкой реализации макета PPLN из выращенных кристаллов ниобата лития с градиентом концентрации основных компонентов.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития КубГУ и Госзадания (Проект 2014/75 НИР № 1291 (14/200-т)).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Galutskiy V.V. Growth of single crystal with a gradient of concentration of impurities by the Czochralski method using additional liquid charging / V.V. Galutskiy, M. I. Vatlina, E.V. Stro-ganova // J. Crystal Growth.- 2009.- vol. 311.-p. 1190-1194.

2. Сидоров Н.В. Ниобат лития: дефекты, фоторефракция, колебательный спектр, поля-ритоны / Н.В. Сидоров, Т.Р. Волк, Б.Н. Маврин, В.Т. Калинников . - М.: Наука, 2003. - 255 с.

3. Wang J. Single-PPLN-based simultaneous half-adder, half-subtracter, and OR logic gate: proposal and simulation / J. Wang, J. Sun, Q. Sun // Optics express. -2007. - vol. 15. - №. 4. - p. 1690-1699.

© В. В. Галуцкий, В. Ф. Кузора, В. А. Никитин, Е. В. Строганова,

С. А. Шмаргилов, Н. А. Яковенко, 2015