2.2. Принципы работы бистабильных устройств

Оптическая бистабильность требует применения нелинейных материалов и оптической обратной связи. В тех устройствах модуляции света, где используют изменение показателя преломления, применяют нелинейные оптические среды, имеющие показатель преломления, зависящий от интенсивности света. Обратная связь является или внешней (макроскопической), где нелинейная среда размещается внутри интерферометра (резонатора) Фабри — Перо, или внутренней (микроскопической), где оптически индуцируемые изменения в нелинейной среде непосредственно влияют на взаимодействие среды с падающим пучком света. Большая часть работ по оптическим переключениям до сих пор выполнялась на устройствах, где для получения бистабильности использовались изменения рефрактивных свойств материалов, а обратная связь осуществлялась с помощью внешнего резонатора Фабри — Перо. Примером реализации внутренней обратной связи является случай бистабильности, обусловленной возрастанием коэффициента поглощения. В устройствах типа СЭОУ (обсуждаемых ниже), хотя и используют рост коэффициента поглощения, но для воздействия на поглощение применяют извне подаваемое электрическое поле, так что здесь обратная связь является внешней. До сих пор все из наиболее перспективных устройств основывались на внешней обратной связи.

Резонатор Фабри — Перо состоит из двух частично отражающих зеркал; он пропускает свет только тогда, когда оптическая длина пути (физическое расстояние между зеркалами, умноженное на показатель преломления среды) равняется целому числу, умноженному на половину длины волны света. Следовательно, выходной сигнал резонатора Фабри — Перо

представляет собой серию острых максимумов пропускания, причем для каждого из пиков выполняется условие резонанса. Для работы в бистабильном режиме длину волны проходящего светового пучка вначале каким-либо способом отстраивают относительно максимума пропускания резонатора Фабри — Перо; коэффициент пропускания при этом является низким и устройство выключено. При увеличении интенсивности показатель преломления материала, заполняющего резонатор, изменяется, изменяя тем самым оптическую длину пути, и сдвигает пик пропускания, приводя к более точному совпадению длины волны максимума пропускания и длины волны лазера. Это в свою очередь увеличивает интенсивность света в резонаторе, которая далее изменяет показатель преломления, и т. д. Эта положительная обратная связь сохраняется до критической величины интенсивности, называемой интенсивностью включения. Затем эффект пропадает и устройство быстро переходит во включенное состояние. Дальнейшее увеличение интенсивности света не приводит к значительному изменению коэффициента пропускания. Если же интенсивность света снижать ниже интенсивности включения, коэффициент пропускания не

Рис. 2.1. Зависимости выходного сигнала от входного сигнала для нелинейного резонатора Фабри — Перо, демонстрирующего: а) оптическую бистабильность; б) пороговую зависимость.

уменьшится, а останется в «верхнем» состоянии. Это происходит потому, что вследствие свойства накопления поля в резонаторе Фабри — Перо интенсивность света внутри резонатора остается высокой. Устройство выключается, когда интенсивность уменьшается до значения, при котором интенсивность внутри резонатора становится ниже, чем требуется для поддержания устройства во включенном состоянии. На рис. 2.1, а показана характеристика пропускания света бистабильного резонатора Фабри — Перо. Гистерезисный характер кривой обусловлен процессом, описанным выше. При определенных условиях работы эту гистерезисную область можно исключить, и характеристика пропускания станет близкой к приведенной на рис. 2.1, б. Как будет показано дальше, для работы оптических вентильных устройств не требуется бистабильности, и достаточной является нелинейная характеристика, приведенная на рис. 2.1, б. То же самое переключающее поведение может быть получено при использовании двух световых пучков (рис. 2.2). Интенсивный лазерный пучок, называемый несущим пучком, изначально отстроен по длине волны относительно максимума коэффициента пропускания, что определяет выключенное

Рис. 2.2. Двухлучевое переключение в нелинейном бистабильном резонаторе Фабри — Перо.

состояние. Когда же приложен переключающий пучок с низкой интенсивностью, устройство включается и несущий пучок проходит через устройство. Переключающий пучок в этом случае содержит вводимую в устройство информацию.