W pełni optyczny przełącznik wykorzystujący jednorodne światłowodowe siatki Bragga

Transkrypt

1 doi:.599/ Piot KISAŁA Jace KLIEK Kzysztof SKORUPSKI Politechnia Lubelsa Instytut Eletonii i Techni Infomacyjnych () Politechnia Lubelsa Instytut Infomatyi () W pełni optyczny pzełączni wyozystujący jednoodne światłowodowe siati Bagga Steszczenie. W atyule zapezentowano oncepcję całowicie optycznego pzełącznia opatego na dwóch jednoodnych światłowodowych siatach Bagga oaz światłowodach domieszowanych piewiastami ziem zadich. Pzedstawiono model uładu wyazującego właściwości bistabilne waunujące pzełączanie w pełni optyczne. Doonano ównież analizy podstawowych właściwości zapoponowanego uładu pzełącznia optycznego w opaciu o uzysane chaateystyi pzetwazania. Abstact. In this aticle the concept of all-optical switch based on two unifom fibe Bagg gatings and ae eath elements doped optical fibes have been pesented. A model showing the bistable popeties conditioning all-optical switching have been also submitted. The basic popeties of the poposed optical switch based on pocessing chaacteistics have been analyzed. The all-optical switch based on two unifom fibe Bagg gatings and ae eath elements doped optical fibes Słowa luczowe: optyczny pzełączni światłowodowe siati Bagga światłowody domieszowane piewiastami ziem zadich. Keywods: all-optical switch fibe Bagg gatings ae eath elements doped fibes. Wstęp Światłowodowe siati Bagga są szeoo wyozystywane zaówno jao czujnii wielości fizycznych [-3] oaz jao elementy uładów stosowanych w teleomuniacji [4-5]. Wyozystanie wszystich możliwości sieci światłowodowych można osiągnąć dopieo po wyeliminowaniu onwesji sygnału optycznego na eletyczny tóa oganicza szeoość pasma. Eliminacja taa jest obecnie możliwa dzięi opacowaniu optycznych pzełącznic OXC (ang.: Optical Cossconnects) oaz multipleseów optycznych OAD (ang.: Optical Add-Dop ultiplexes) [6]. Zjawiso bistabilności optycznej powstające pzy wyozystaniu pojedynczej siati Bagga zostało opisane w publiacjach z ou 995. W piewszych pacach pzedstawiono ozwiązania w tóych póg pzełączania optycznego występował dla wejściowego sygnału optycznego siati ównego W [7]. W pacach z tego zaesu wyazano że nieliniowy współczynni Kea w zwyłym włónie zemowym jest na tyle mały że zmiana pola modu powodowana nieliniowym efetem Kea wymaga o. W mocy optycznej. Jest to watość znacznie więsza od poziomu mocy pzełączania optycznego [8]. Należy wspomnieć że nietóe inne mateiały nieliniowe np. półpzewodni GaAs GsAs-AlAs czy GaAs bazujący na QW (ang.: ultiple Quantum Well) chaateyzuję się dużą watością nieliniowości optycznej w sąsiedztwie pasma zabonionego. Watości nieliniowych współczynniów odpowiadające współczynniom Kea są w taich mateiałach wystaczająco duże (ooło 9 więsze niż w pzypadu zwyłego włóna zemowego) aby spowodować zmianę pola modu. Wszystie współczynnii spzęgania są wtedy zależne od poziomu mocy wejściowej. Kolejne pace z zaesu badania bistabilności optycznej i pzełączania optycznego zmiezały w ieunu opacowania metod pozwalających na zmniejszenie pogu pzełączania. W ou 5 zapoponowano uład wyazujący właściwości bistabilne złożony z pojedynczej bazujący na sośnej modulacji fazy XP (ang.: Coss Phase odulation) [9]. Póg pzełączania wyniósł 8 GW/cm pzy pzeoju pozecznym 5 µm. Dla pojedynczej siati Bagga użytej do pzełączania w pełni optycznego osiągnięto już poziom mocy pzy tóej następuje pzełączenie ówny W. W celu dalszej educji pogu pzy tóym następuje efet pzełączania optycznego zapoponowano hybydowe uządzenie wyazujące właściwości bistabilne bazujące na pojedynczej siatce Bagga. Póg pzełączania w tym pzypadu wyniósł mw []. Ze względu na wysoą ozdzielczość ganiczną zędu. nm powyższe ozwiązanie ma potencjalne zastosowanie w uządzeniach ze spzężeniem częstotliwościowym lub czujniach optoeletonicznych. W niniejszym atyule zapoponowano optyczny uład bistabilny tóy wyozystuje dwie jednoodne siati Bagga oaz światłowód domieszowany ebem. W ten sposób uzysano efet tzw. nieliniowej wnęi Fabego-Peota. Zbudowano model taiego uządzenia pzy wyozystaniu metody maciezy pzejścia. Pozwala on na analizę właściwości a w pzyszłości ównież budowę uładów bistabilnych pacujących zaówno w tybie tansmisyjnym ja i odbiciowym. Wyazano dla jaich waunów (pzy pzeoczeniu pewnej watości mocy wejściowej) można uzysać silny efet nieliniowy geneowany we włónie domieszowanym ebem. Obliczenia i zapoponowany model matematyczny posłużyły do zbadania właściwości uządzeń optycznych opatych na wyazujących własności bistabilne. odel matematyczny całowicie optycznego pzełącznia z dwiema siatami Bagga Zapoponowano uzysanie efetu bistabilnej chaateystyi pzetwazania uładu popzez zastosowanie światłowodów o nieliniowym współczynniu załamania światła. W ten sposób uzysano światłowodową wnęę Fabego-Peota pzy czym jao włóno zastosowano ośode czynny w postaci światłowodu domieszowanego ebem (ys. ). Rys.. Schemat modelu uładu bistabilnego 66 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 9 NR /5

2 odel zbudowany w opaciu o schemat z ysunu pozwala na ozwiązanie popagacji światła pzez uład wyazujący właściwości bistabilne. Sygnał wejściowy P we () jest w modelu pzetwazany na sygnał wyjściowy P wy () w postaci zaówno mocy tansmitowanej pzez uład P t () ja i mocy odbitej P o (). odel pozwala na wyznaczenie powyższych wielości dla óżnych watości paametów uładu złożonego z dwóch siate Bagga oaz włóna domieszowanego ebem. Weto watości paametów umożliwia wpowadzenie do modelu wielości chaateystycznych uładu taich ja: długości fali Bagga siate pzełącznia optycznego B B flutuacja oesu siati na jej długości d/dz funcje apodyzacyjne siate g(z) i g(z) amplitudy modulacji współczynnia załamania światła w siatach n eff długości siate L i L szeoości połówowe widma całego uładu FWH wielość pola pzeoju włóna atywnego S eb długości włóna ebowego L eb oaz mocy zaabsobowanej we włónie P a. odel sonstuowano w opaciu o teoię modów spzężonych. Niestety w pzypadu zapoponowanego uładu badzo ciężo jest znaleźć ozwiązanie analityczne ównań modów spzężonych (3) i (4). W atyule zapoponowano metodę numeyczną ozwiązania tych ównań stosując algoytmy numeyczne wyozystujące macieze pzejścia całego uładu. Rozład pola eletycznego wzdłuż dzenia światłowodu na tóym umieszczone są dwie siati Bagga wyaża się zależnością []: z e e x y iz () Ex y z Aze Bz gdzie: A(z) amplituda modu popagującego w ieunu od wejścia modelu do jego wyjścia B(z) amplituda modu popagującego od wyjścia modelu do jego wejścia z oś wzdłuż tóej zapisane są siati Bagga (oś światłowodu) e t pole popzeczne modu - stała popagacji zależna od długości fali światła popagującego pzez uład liczona zgodnie z ównaniem (): () n /. eff Równanie pola modu popagującego w ieunu od wejścia do wyjścia uładu S + (z) oaz modu popagującego w ieunu odwotnym (od wyjścia do wejścia) S - (z) uzysano wpowadzając do ównań modów spzężonych [] ozład pola opisany ównaniem () co pozwala na uzysanie ównań (3) i (4) w postaci: (3) (4) ds ds z; i dz zs z qzs z z; i dz t zs z q zs z gdzie: q tzw. całowity współczynni spzęgania w siatce oeślony ównaniem: (5) q i jest paametem ozstojenia od długości fali Bagga i oeślona jest zależnością: / n. B (6) eff Dodatowo ażda paa S + (z) i S - (z) ozwiązań ównań modów spzężonych musi spełniać ównania (3) i (4) pzy waunach bzegowych oeślonych ównaniami (7) i (8): (7) ; S (8) S ( L d; ) dla tóych odbicie całego uładu spełnia ównanie (9): (9) S P. oc tansmisyjna uładu musi spełniać ównanie bzegowe: () P S L L ; t. eb W celu wyznaczenia spetalnej chaateystyi odbiciowej doonano podziału siate pzełącznia na połączone ze sobą szeegowo efletoy Bagga o sończonej długości. Dla powyższego pzypadu można zapisać maciezowe ównanie opisujące sygnał na ońcach uładu ównaniem: () S S - L L L L eb eb S T S - pzy czym T jest to maciez tansmisji uładu. Zgodnie z teoią maciezy pzejścia maciez popagacji uładu opisano ównaniem: () iz e T T iδz e gdzie z oznacza długość poszczególnych secji. Natomiast maciez opisującą jeden dysetny efleto Bagga dana jest ównaniem (3): (3) T DRB gdzie oznacza współczynni odbicia taiego efletoa pzy czym można go wyazić zależnością: (4) q q tanh z. q Uwzględniając ównania () (3) i (4) oaz po uwzględnieniu że cały uład słada się z dwóch jednoodnych siate ozdzielonych włónem atywnym domieszowanym ebem ównanie maciezowe () można zapisać w postaci: (5) S L Leb S L Leb iz e iδz e i d e i d e iz e iδz e S S Całowitą watość mocy odbitej od uładu zależną od pozycji wzdłuż osi włóna i ozstojenia można zatem opisać po uwzględnieniu ównania (4) w postaci: (6) P z; iz z z; e iz z z; e q P. q P. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 9 NR /5 67

3 Dodatowo współczynni odbicia całego uładu otzymano pzy założeniu że spełnione jest ównanie (7): P L L (7) eb oaz podstawiając do ównania (6) z = co powadzi do otzymania widma w postaci: P() = P(; ). Na ysunu pzedstawiono chaateystyi spetalne tansmisyjne uzysane dla uładu złożonego z dwóch siate Bagga oddalonych od siebie o 3 mm i 3 mm. współczynni tansmisji Rys.. Tansmisyjne chaateystyi widmowe uładu złożonego z dwóch siate Bagga umieszczonych na tym samym włónie w óżnych odległościach. współczynni odbicia odległość pomiędzy siatami: 3mm odległość pomiędzy siatami: 3mm długość fali [nm] odległość pomiędzy siatami: 3mm odległość pomiędzy siatami: 3mm długość fali [m] x -6 Rys.3. Odbiciowe chaateystyi widmowe uładu złożonego z dwóch siate Bagga umieszczonych na tym samym włónie w óżnych odległościach. Wynii podane na wyesach i 3 uzysano dla długości siate L = L BG = 5 mm oaz dla długości fali bagga siate B = B = 55 nm. Ja można zauważyć odległość pomiędzy siatami wpływa na szeoość chaateystyi tansmisyjnej uładu. Zwięszenie odległości pomiędzy siatami powoduje poszezenie chaateystyi spetalnej a pzy odległości zędu 3 mm ozszczepienie chaateystyi (widoczne są dwa pii tansmisyjne) ys.. Również na ysunu 3 widać efet ozszezenia chaateystyi (tym azem odbiciowej) oaz pojawienie się ilu piów odbiciowych. Jest to związane z pojawieniem się efetu Fabego-Peota tóy powstaje wsute intefeencji sygnału pomiędzy dwiema siatami działającymi w uładzie ja zwieciadła. Z ównania (5) otzymuje się współczynni tansmisji T całego uładu tóy pzedstawia się w fomie ównania (8): (8) T R L L e R R e / 4Rsin L gdzie oznacza współczynni stat we włónie atywnym ówny 7 - R jest współczynniiem odbicia uładu jest fazą sygnału popagującego w uładzie tóą z olei można wyazić ównaniem (9): (9) 4 n eff L /. W ównaniu (8) pojawia się pzesunięcie fazy wyniające z obecności włóna atywnego w uładzie. Zapoponowano wyznaczenie sumulowanej watości pzesunięcia fazy dla całego odcina włóna ebowego L eb popzez całowanie pzesunięcia fazowego występującego w ażdej jednostowej długości dz włóna: () L eb z n dz. Wielość n(z) jest zmianą współczynnia załamania światła po załączeniu pompy optycznej. Nieliniową zmianę tego współczynnia można wyazić ównaniem: () nz z Pp 3 gn SIs g' f Pp z 6n f g SI s gdzie paamet g (f) wyaża się ównaniem () [3]: f () g' f f f pzy czym f = f-f jest paametem oeślającym ozstojenie od częstotliwości f. Załadając że pole pzeoju pozecznego światłowodu pompującego p jest związane ze współczynniiem pompowania zależnością: (3) W P ppp Sf h p możemy wyznaczyć współczynni tansmisji sygnału optycznego popagującego pzez światłowód domieszowany ebem. W ównaniu (3) P p jest mocą pompy optycznej S jest obszaem oświetlanym pzez sygnał pompy f p jest częstotliwością sygnału pompy h jest stałą Plana. Pojawiąjąca się w ównaniu () wielość I s jest intensywnością nasycenia tóą można oeślić ównaniem (4): (4) I s hf p g p f g gdzie g jest to współczynni degeneacji stanu podstawowego oznaczany w liteatuze ównież jao 4 I 5/ 68 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 9 NR /5

4 g oznacza spółczynni degeneacji stanu pompy oznaczany ównież jao 4 I 3/ [3] pzy czym g =6 g =4. Wynii Zapoponowany uład zbadano pod ątem występowania właściwości bistabilnych. W tym celu wyznaczono chaateystyi pzetwazania zaówno dla tybu odbiciowego (ys. 4) ja i tansmisyjnego (ys. 5). odel opisany w popzednim ozdziale uwzględnia zmianę fazy sygnału popagującego w uładzie spowodowaną obecnością włóna domieszowanego ebem. Na potzeby badań numeycznych założono oncentację jonów ebu (E3+) na poziomie 3 9 cm -3 oaz czas życia jonów na poziomie wzbudzonym ówny s. Na ysunu 4 zestawiono chaateystyi pzetwazania uładu pacującego w tybie odbiciowym. Analizujące ysune 5 widać wyaźnie że waz ze wzostem długości siate Bagga uładu następuje zmniejszenie mocy pzełączania. Z dugiej stony im ótsze są długości siate Bagga wyozystanych w uładzie tym szeszy jest obsza pacy bistabilnej gdyż więsza jest wtedy óżnica pomiędzy poziomami pzełączania do stanu wysoiego i nisiego. Pt [mw] Leb = 5 cm Leb = 5 cm Leb = 5 cm Pwe [mw] Rys.6. Chaateystyi pzetwazania uładu pacującego w tybie tansmisyjnym dla zmiennych długości włóna domieszowanego ebem. Rys.4. Chaateystyi pzetwazania w tybie odbiciowym dla zmiennych długości włóna ebowego. Na podstawie zamieszczonych na ysunu 4 chaateysty pzetwazania widać że poziom mocy pzełączenia zależy od długości włóna domieszowanego ebem. Pzy długości włóna ebowego zędu 5 cm efet pzełączania zania co widać po zmniejszającej się óżnicy pomiędzy poziomami mocy wejściowej (Pwe) pzed i po pzełączeniu. Różnica ta została na ysunu 4 zaznaczona jao magines poziomu mocy. Rys.5. Chaateystyi pzetwazania uładu pacującego w tybie tansmisyjnym dla zmiennych długości siate Bagga. Na chaateystyi pzetwazania zapoponowanego uładu wpływa ównież długość światłowodu domieszowanego jonami ebu (ys 6). Watość mocy pzełączania można zeduować popzez wydłużanie odcina światłowodu atywnego. Po pzeoczeniu długości zędu 5 cm następuje jedna zani zjawisa bistabilności. Wniosi Zapezentowano oncepcję oaz model całowicie optycznego pzełącznia wyozystującego dwie jednoodne światłowodowe siati Bagga oaz światłowód domieszowany jonami ebu. Wyazano dla jaich paametów uładu możliwa jest paca bistabilna uładu. Chaateystyi widmowe odbiciowe oaz tansmisyjne uzysano pzy wyozystaniu metody maciezy pzejścia stosowanej najczęściej do uładów o peiodycznie zmiennych paametach. Uzysano w ten sposób model matematyczny uładu bistabilnego. Wyazano że można zeduować poziom mocy pzełączania uładu do watości 5 mw popzez zwięszanie długości włóna ebowego chaateyzującego się dużą watością nieliniowego współczynnia załamania światła. Z dugiej jedna stony po pzeoczeniu długości włóna atywnego powyżej 5 cm następuje zani zjawisa bistabilności co widać na pzedstawionych chaateystyach pzetwazania uładu zaówno w tybie tansmisyjnym ja i odbiciowym. Wyazano silny wpływ długości światłowodowych siate Bagga na właściwości bistabilności uładu. Pzy założeniu że długości siate są taie same zani zjawisa bistabilności optycznej następuje już pzy watościach długości siate zędu 8 mm. Z dugiej stony zmniejszanie długości siate poniżej 5 mm wpływa znacząco na wzost mocy pzełączania. Zmiana długości siate uładu z 5 mm do 4 mm powoduje niemal dwuotny wzost mocy pzełączania (z 4 mw do 4 mw!). odel i oncepcję pzełączania bistabilnego opisane w niniejszym atyule oganiczono do pzypadu stałej tempeatuy. Założono stałą tempeatuę zaówno w dzeniu ja i włónie wszystich elementów uładu. W patyce tempeatuy te PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 9 NR /5 69

5 mogą się óżnić co może powodować tzw. pzesunięcie temiczne pomiędzy modami popagującymi w uładzie. Powyższe poblemy będą pzedmiotem dalszych badań powadzonych w tym obszaze tematycznym. Pacę wyonano w amach ealizacji pojetu Stypendia nauowe dla dotoantów pacujących w amach zespołów badawczych Pogam Opeacyjny Kapitał Ludzi 7-3 Pioytet VIII Regionalne ady gospodai Działanie 8. Tansfe wiedzy Poddziałanie 8.. Regionalne Stategie Innowacji współfinansowanego ze śodów Euopejsiego Funduszu Społecznego budżetu państwa oaz budżetu Województwa Lubelsiego. LITERATURA [] Kisała P. Detection of mateial defects with indiect method by detemining the linea expansion with senso Pzegląd Eletotechniczny a (3) 9-33 [] Kisała P. Optoelectonic senso fo simultaneous and independent tempeatue and elongation measuement using Bagg gatings Pzegląd Eletotechniczny a () [3] Shen W. Yan R. Xu L. Tang G. Chen X. Application study on senso applied to hull stuctual health monitoing Opti - Intenational Jounal fo Light and Electon Optics (in pess) (5) [4] Nazmi A. ohammed Taha A. Ali oustafa H. Aly Evaluation and pefomance enhancement fo accuate tempeatue senso measuement with diffeent apodization pofiles in single and quasi-distibuted DWD systems Optics and Lases in Engineeing 55 (4) -34 [5] Nemyin A.V. Shapio D.A. Optical filte with minimum goup delay fo WD systems Optics Communications 89 (3) 97 [6] Yuan H. Zhong W.-D Patially econfiguable optical add-dop multiplexes fo dense WD netwos Optics Communications 9 (3) 65-7 [7] Shi Ch.-X. Optical Bistability in Reflective Fibe Gatings IEEE Jounal of Quantum Electonics 3 (995) [8] Kishnamoothy A. V. Woodwad T. K. Novotny R. A. Goossen K. W. J. A. Wale Ring oscilatos with optical and electical eadout based on hybid GaAs QW modulatos bonded to.8 µm silicon VLSI cicuits Electonics Lettes 3 (995) [9] Rapp L. Expeimental Investigation of Signal Distotions Induced by Coss-Phase odulation Combined with Dispesion IEEE Photonics Technology Lettes 9 (977) [] Lv G. Ye H. Li J. Sun X. Zhang X. Hybid Optical Spectal Bistability in Fibe ichelson Intefeomete by Use of a Tunable Fibe Lase IEEE Photonics Technology Lettes 7 (5) 6-63 [] Bao J. Zhang X. Chen K. and Zhou W. Specta of dual ovewitten fibe Bagg gating Optics Communications 88 () 3-39 [] ccall. On the application of coupled mode theoy fo modeling fibe bagg gatings J. Lightwave Technol. 8 () 36-4 [3] Pantell R. H. Puthoff H. E. Fundamentals of Quantum Electonics New Yo Willey (969) Autozy: d hab. inż. Piot Kisała Politechnia Lubelsa Instytut Eletonii i Techni Infomacyjnych ul. Nadbystzyca 38a - 68 Lublin p.isala@pollub.pl; mg inż. Jace Klime Instytut Infomatyi ul. Nadbystzyca 36b -68 Lublin j.lime@pollub.pl; mg inż. Kzysztof Soupsi Instytut Infomatyi ul. Nadbystzyca 36b -68 Lublin .soupsi@pollub.pl. 7 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY ISSN R. 9 NR /5