Концепция фотонного пространственного переключателя на основе внеосевой зонной пластины: экспериментальное подтверждение в миллиметровом диапазоне

В статье приводятся результаты экспериментальной проверки концепции ранее предложенного [ Гейнц, Ю.Э. Концепция миниатюрного фотонного пространственного переключателя на основе внеосевой зонной пластины / Ю.Э. Гейнц, О.В. Минин, И.В. Минин // Квантовая электроника. – 2021. – Т. 51, № 8. – С. 727-729. – DOI: ] полностью оптического селективного по длине волны многоканального коммутатора на основе внеосевой зонной пластины Вуда в миллиметровом диапазоне длин волн без применения микро-механических устройств или нелинейных материалов. Рассмотрен лабораторный прототип такого устройства, и обсуждаются его основные параметры. На основе проведенных экспериментов показано, что оптическая изоляция коммутируемых каналов для переключателя на базе внеосевой зонной пластины может достигать 15 дБ при разности частот 25 ГГц в диапазоне частот 93– 136 ГГц.

Оптические переключатели используются в современных сетевых оптических коммуникациях [1], в частности, для разделения оптических сигналов с разной частотой, распространяющихся по единому оптическому каналу. В [2, 3] нами была предложена новая концепция селективного по длине волны полностью оптического переключателя на основе новых структурированных пространственно локализованных световых пучков типа «фотонный крючок» [4, 5], относящаяся к классу селективных по длине волны переключателей [6, 7]. Особенностью этой концепции является возможность реализации немеханического и полностью оптического пространственного переключателя, который изменяет направление выходного света без использования нелинейных материалов с использованием дифракционных структур различной конфигурации [2, 3].

В настоящем сообщении мы приводим результаты экспериментальной проверки концепции указанного

CO-1210.

выше переключателя оптического типа в миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн. Выбор диапазона обусловлен одновременно двумя аспектами – возможностью оперативной экспериментальной проверки концепции переключателя в более длинноволновом диапазоне (что технологически проще) и самостоятельным интересом к этому диапазону применительно к перспективным системам связи и коммуникации 5G-6G [8– 15].

Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) и оптическое переключение каналов передачи информации позволяет увеличить пропускную способность в системах связи, которое, как правило, основано на микшировании нескольких сигналов в один канал и последующем их разделении (переключении) на стороне детектора. Для этих целей мы применили специальный дифракционный элемент [16, 17]. В рассматриваемом случае для реализации функции оптического переключателя зависимость угла отклонения сфокусированного излучения от длины волны облучения обеспечивается дифракционным элементом в виде внеосевой зонной пластины. Такой элемент представляет собой комбинацию бинарной фазовой решетки и собирающей дифракционной линзы [18–22], обеспечивающий частотное разделение и фокусировку излучения на конечном расстоянии, т.е. пространственно разделяет сигналы, поступающие из единого канала передачи данных, по несущей частоте. Поэтому при определенной пространственной конфигурации такой структуры и зон приема можно добиться изменения уровня оптического сигнала в каждом из каналов при изменении длины волны излучения. В данном случае пространственный наклон области ближнепольной фокусировки обеспечивался использованием внеосевой зонной пластины Вуда, область фокусировки которой находится вне оптической оси системы [21, 22].

1.    Схема эксперимента

Схема экспериментальной установки, её основных составных частей и принцип работы показаны на рис. 1 –2. ММ-излучение, генерируемое источником (1), проходит волновод (2), и с помощью антенны Кассегрена (3) формируется квазиплоская волна (5) диаметром ≈ 100 мм, падающая на фазовую пластину (ФП) (6). Расстояние от антенны Кассегрена до фазовой пластины d много больше рабочей апертуры антенны D = 100 мм, т.е. реализуются условия дальнего поля. После ФП излучение (7) фокусируется в плоскости ZX, расположенной вне оптической оси падающего излучения (5). В зависимости от частоты излучения положение фокусировки пучка сдвигается вдоль оси Z в плоскости ZX. Для измерения пространственного распределения интенсивности излучения в плоскости ZX фотоприёмник (8, 9, 10) размещался в центре 2-координатного стола с электромеханическими приводами, управляемыми от компьютера. Сканирование области фокусировки излучения фотоприёмником осуществлялось по области размером 100 × 100 мм с шагом 0,5 мм.

В качестве источника излучения (рис. 2 а ) использовались излучающие модули ММ-диапазона (производства АО «НИИПП», г. Томск) монолитной конструкции на основе диодов Ганна с рабочими частотами 93, 118 и 136 ГГц (диапазон перестройки ±0,75 ГГц) и выходной мощностью 3, 1 и 0,2 мВт соответственно. ММ-модули снабжены волноводом, оканчивающимся антенной Кассегрена с рабочей апертурой D = 100 мм. Антенна обеспечивала квази-плоский волновой фронт с расходимостью пучка излучения менее 1º.

В качестве оптического элемента переключателя была использована асимметричная фотонная структура в виде внеосевой бинарной фазовой пластины (ФП) Вуда [8, 9], представленная на рис. 2в. ФП диаметром 120 мм изготавливалась методом 3D-печати [10] на принтере Cheap 3d V300 с областью печати 300 × 300×300 мм, точностью 50 мкм. Применяемый материал – ABS-пластик REC пруток диаметром 1,75 мм. Коэффициент преломления материала, по литературным данным, составлял n ≈ 1,59 [11] и мог корректироваться выбором плотности 3D-печати [12]. Следует заметить, что при таких геометрических параметрах мезоразмерной ФП параметр размера Ми-структуры составлял величину q = πD / λ =31π (D – диаметр ФП), что соответствует условию существования эффекта фотонной струи [13] на границе с пределом геометрической оптики.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 – ММ-излучатель, 2 – волновод, 3 – антенна Кассегрена, 4 – плата управления, 5 – падающий квазипараллельный пучок MM-излучения, 6 – внеосевая фазовая пластина Вуда, 7 – пучок после фазовой пластины, 8, 9, 10 – положения фотодетектора при различных длинах волн излучения

12 4     3

а)

Рис. 2. а) Внешний вид источника излучения, состоящего из ММ-излучателя (1), волновода (2), антенны Кассегрена (3)

б)

в)

и платы управления (4); б) пироэлектрический фотоприёмник ММ-диапазона; в) внешний вид фазовой пластины Вуда

В качестве детектора ММ-излучения использовался пироэлектрический фотоприёмник на основе тетрааминодифенила с расширенным диапазоном спектральной чувствительности (0,4–3000 мкм) производства НПО «ВОСТОК», г. Новосибирск, внешний вид которого показан на рис. 2 б . Фотоприёмник имеет входное окно из полиэтилентерефталата (лавсан) диаметром 5 мм и фоточувствительную площадку размером 1×1 мм². Характеристики использованного пироэлектрического фотоприёмника подробно исследованы в работах [14, 15]. Для получения максимального сигнала с пироприёмника осуществлялось модулирование излучения с частотой около 100 Гц при помощи механического обтюратора.

2.    Результаты и обсуждение

Результаты экспериментов представлены на рис. 3–4. На рис. 3 показано двумерное распределение интенсивности плоской волны при дифракции на ФП излучения с частотами 93 (1), 118 (2) и 136 (3) ГГц. Рисунок является синтезом пространственных распределений интенсивности ММ-излучения, полученных для каждой частоты в отдельности.

X / Длина волны, отн. единицы

Рис. 3. Распределение интенсивности сигнала в плоскости ZX для частот 93 (1), 118 (2) и 136 (3) ГГц соответственно. Координаты по X и Z нормированы на длину волны излучения. Квадратами показан размер фоточувствительной площадки пироприёмника в масштабе рисунка

Из рисунка видно, что при распространении сфокусированного ФП излучения, вследствие дифракции, пространственный размер области фокусировки, как и ожидалось, меняется, что следует из рис. 3–4 и табл. 1. Наклон распределения интенсивности пиков отражает наклон диаграммы излучения источника излучения, который является щелевым.

Также при изменении длины волны излучения область локализации излучения (внеосевого фокуса [8, 9]) изменяет свое пространственное положение. Размещение оптических приемников вдоль оси Z при X=0 обеспечивает различную амплитуду поля в каждом из каналов при работе на различной частоте, т.е. их пространственную коммутацию по уровню оптического сигнала. Очевидно, что надежность срабатывания такого переключателя будет определяться величиной оптической развязки каналов, которая, в свою очередь, зависит от параметров переключающей ФП и диапазона длин волн облучения. Разность сигналов на соседних приемниках излучения dS = S 1 – S 2 служит мерой оптической изоляции (развязки) каналов коммутации. Отметим, что для улучшения оптической развязки переключаемых каналов мы выбрали фотоприёмник с входной апертурой заметно меньше размера поперечного сечения области локализации излучения (см. рис. 4).

На рис. 4 показано распределение интенсивности преломлённого излучения вдоль оси Z при координате X=0 для разных частот излучения. Интенсивность излучения нормирована на максимум, полученный для каждой частоты в отдельности. Значение координаты по Z нормировано на длину волны излучения. На вставке квадратом показан размер фоточувстви-тельной площадки пироэлектрического фотоприёмника в соответствующих координатах.

Z7 Длина волны, отн. ед. "

Рис. 4. Зависимости интенсивности сигналов вдоль оптической оси Z, показанной на рис. 3 светлой сплошной линией, для частот 93, 118 и 136 ГГц. Интенсивности нормированы на максимум, полученный для каждой частоты отдельно. Координата по Z нормирована на длину волны излучения. На выноске в масштабе показан размер фоточувствительной площадки пироприёмника для сравнения

В табл. 1 приведены результаты обработки полученных зависимостей. Из рис. 4 видно, что сигнал с соседней частотой 118 ГГц на координате максимума сигнала, соответствующего частоте 93 ГГц, более чем в 15 раз меньше, чем сигнал с частотой 93 ГГц. То есть измеренное взаимное влияние сигналов на соседних частотах составило менее 15 дБ.

Как видно, оптическая изоляция dS может достигать > 15 дБ, что при условии фактически мгновенной скорости срабатывания переключателя (например, для фото- приемников на основе диодов Шоттки ZBD-F производства Virginia Diodes время «реакции» составляет ~3 × 10 –11c [16]) является хорошим показателем. При этом спектральный диапазон, в котором реализуется переключение состояний, в данном случае составляет около 43 ГГц или примерно 38% от средней длины волны.

Табл. 1. Ширина распределения интенсивности поля вдоль оси Z на полувысоте

Частота, ГГц	Длина волны λ , мм	Положение максимума Z/ λ , отн. ед.	Ширина на полувысоте ΔZ/ λ , отн. ед.	Относительная ширина на полувысоте ΔZ/Z, %
93	3,23	26,9	2,29	8,5
118	2,54	31,8	1,86	5,8
136	2,21	37,1	1,56	4,2

Заключение

Таким образом, в данной работе экспериментально продемонстрирована принципиальная возможность создания многоканального (в данном случае трехканального) коммутатора оптического типа на основе диэлектрической мезоразмерной структуры с нарушенной симметрией геометрической формы, выполненной в виде внеосевой ФП Вуда. Благодаря уникальному свойству такой структуры изменять пространственное положение ограниченной области фокусировки в зависимости от длины волны облучения, данный переключатель является хорошим кандидатом для реализации электронной оптической коммутации в современной оптоэлектронике, не требующим управления электрическим сигналом. Заметим, что проведение «полномасштабной» оптимизации характеристик оптического переключателя в данной работе не предполагалось, а экспериментально демонстрировалась лишь соответствующая концепция. Более того, учитывая масштабируемость уравнений Максвелла, результаты данной работы могут быть перенесены в другие диапазоны электромагнитного излучения, в частности, оптический или ИК.

Работа выполнена в рамках программы развития ТПУ, частично поддержана грантом РФФИ (No. 2157-10001).