RU172914U1

RU172914U1 - LIQUID FIBER OPTICAL CLOSURE BASED ON LIQUID CRYSTAL

Info

Publication number: RU172914U1
Application number: RU2016125107U
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Трашкеев; Борис Николаевич Нюшков; Дмитрий Борисович Колкер; Владимир Иванович Денисов; Дмитрий Юрьевич Примаков
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-07-31

Abstract

Полезная модель относится к оптическим устройствам, в частности к волоконным элементам управления оптическим излучением, и может применяться в полностью оптических коммутационных схемах, а также для построения оптических логических схем. Заявленный миниатюрный волоконный оптический затвор включает полый корпус, содержащий жидкий кристалл, в который вводится лазерное излучение. Причем корпус выполнен в форме полой гильзы, с одного конца которой установлено входное одномодовое оптическое волокно, а с другого - выходное одномодовое оптическое волокно, расположенные соосно между собой и примыкающие соответствующими их концами к жидкому кристаллу. Технический результат - создание управляемого оптического затвора, работающего без использования каких-либо электрических сигналов, а также упрощение конструкции и уменьшение размеров устройства. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to optical devices, in particular to fiber optical radiation control elements, and can be used in fully optical switching circuits, as well as for constructing optical logic circuits. The claimed miniature fiber optic shutter includes a hollow body containing a liquid crystal into which laser radiation is introduced. Moreover, the case is made in the form of a hollow sleeve, at the one end of which an input single-mode optical fiber is installed, and at the other end is an output single-mode optical fiber located coaxially between each other and adjacent their respective ends to the liquid crystal. The technical result is the creation of a controlled optical shutter operating without the use of any electrical signals, as well as simplifying the design and reducing the size of the device. 3 s.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к оптическим устройствам, в частности к волоконным элементам управления оптическим излучением, и может применяться в полностью оптических коммутационных схемах, а также для построения оптических логических схем.The utility model relates to optical devices, in particular to fiber optical radiation control elements, and can be used in fully optical switching circuits, as well as for constructing optical logic circuits.

При использовании телекоммуникационной техники бывают ситуации, когда в коммутационных устройствах нежелательно присутствие электрических сигналов, например, если техника используется во взрыво- и пожароопасных местах (в т.ч. в угольных шахтах) или под водой. Предлагаемый волоконный оптический затвор вообще не использует электрическое напряжение (ни для питания, ни для управления устройством), поэтому будет наиболее полезен именно в таких случаях, однако не исключается возможность его применения при решении множества других прикладных задач.When using telecommunication equipment, there are situations when the presence of electrical signals is undesirable in switching devices, for example, if the equipment is used in explosive and fire hazardous places (including in coal mines) or under water. The proposed fiber optical shutter generally does not use electric voltage (neither for powering, nor for controlling the device), therefore it will be most useful in such cases, however, the possibility of its application in solving many other applied problems is not ruled out.

Оптический затвор представляет собой устройство, которое пропускает или не пропускает через себя оптическое излучение в зависимости от управляющего сигнала. Существует несколько основных типов оптических затворов - механические (механическое воздействие в качестве управляющего сигнала), электрооптические (электрический управляющий сигнал) и магнитооптические (магнитный управляющий сигнал) [Мустель Б.Р., Парыгин В.Н. «Методы модуляции и сканирования света», М., 1970].An optical shutter is a device that passes or does not pass optical radiation through itself, depending on the control signal. There are several main types of optical shutters - mechanical (mechanical impact as a control signal), electro-optical (electric control signal) and magneto-optical (magnetic control signal) [Mustel BR, Parygin VN "Methods of modulation and scanning of light", M., 1970].

Известным материалом для применения в устройствах, управляющих оптическим излучением, является жидкий кристалл (ЖК). Это оптически прозрачная среда в ближнем диапазоне инфракрасного излучения (0,74-2,5 мкм), наиболее широко используемом в лазерной технике и телекоммуникационных технологиях. Оптические свойства ЖК в этом диапазоне (характеристики светопропускания) определяются, главным образом, его ориентационной структурой. Ориентационная структура ЖК описывается зависимостью директора (вектора, выражающего преимущественную ориентацию длинных осей молекул ЖК) от пространственных координат. Директор может быть легко изменен как локально, так и во всем объеме жидкого кристалла при воздействии внешнего электрического поля или под действием светового поля (переориентация молекул жидкого кристалла под действием внешних полей именуется эффектом Фредерикса) [Л.М. Блинов. «Жидкие кристаллы: Структура и свойства». М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. - 480 с.].A known material for use in devices controlling optical radiation is a liquid crystal (LC). This is an optically transparent medium in the near infrared range (0.74-2.5 microns), the most widely used in laser technology and telecommunication technologies. The optical properties of an LC in this range (light transmission characteristics) are determined mainly by its orientation structure. The orientational structure of the LC is described by the dependence of the director (a vector expressing the preferred orientation of the long axes of the LC molecules) on spatial coordinates. The director can be easily changed both locally and in the entire volume of the liquid crystal when exposed to an external electric field or under the influence of a light field (reorientation of liquid crystal molecules under the influence of external fields is called the Fredericks effect) [L.M. Pancakes. "Liquid Crystals: Structure and Properties." M.: Book House "LIBROCOM", 2013. - 480 p.].

Известны устройства на основе ЖК, использующиеся для управления оптическим излучением. Обычно они представляют собой прозрачную ячейку, наполненную нематическим жидким кристаллом, к которой подводятся электроды для подачи электрического напряжения [Л.П. Амосова, Е.А. Коншина, Д.С. Костомаров, М.А. Федоров. «Электроуправляемое двулучепреломление в нематических жидких кристаллах», ИТМО, Санкт-Петербург, 2010, 64 стр.]. Прилагая определенным образом электрическое поле к ячейке, можно изменять ориентацию молекул ЖК, тем самым изменяя характеристики пропускания устройства в целом. На таком эффекте можно построить и оптические логические элементы [Brian S. Wherrett, Yuk Т. Chow, David С.Hutchings, Ashley D. Lloyd, Istvan Janossy "All-optical logic elements for optical processing". Proceedings of SPIE, Volume 0800, Novel optoelectronic devices, 161, September 22, 1987, p. 161-168].Known devices based on LCD, used to control optical radiation. Usually they are a transparent cell filled with a nematic liquid crystal, to which electrodes are supplied to supply electrical voltage [L.P. Amosova, E.A. Konshina, D.S. Kostomarov, M.A. Fedorov. “Electrically controlled birefringence in nematic liquid crystals”, ITMO, St. Petersburg, 2010, 64 pp.]. By attaching a certain electric field to a cell, one can change the orientation of LC molecules, thereby changing the transmission characteristics of the device as a whole. Optical logic elements can also be built on this effect [Brian S. Wherrett, Yuk T. Chow, David C. Hutchings, Ashley D. Lloyd, Istvan Janossy "All-optical logic elements for optical processing". Proceedings of SPIE, Volume 0800, Novel optoelectronic devices, 161, September 22, 1987, p. 161-168].

Известен оптический затвор LCC1620, предлагаемый фирмой «THORLABS» [http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8166]. Он представляет собой прозрачную ячейку с электродами, наполненную жидким кристаллом, расположенную между двух поляризаторов оптического излучения. Один из поляризаторов задает поляризацию излучению, которое направляется в ячейку. Под действием электрического поля молекулы жидкого кристалла в ячейке изменяют ориентацию. Управление электрическим полем, приложенным к ячейке, позволяет изменять характеристику двулучепреломления жидкого кристалла и, тем самым, модифицировать состояние поляризации проходящего через ячейку излучения с тем, чтобы излучение прошло через второй поляризатор либо с минимальными, либо с максимальными потерями.Known optical shutter LCC1620, offered by the company "THORLABS" [http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8166]. It is a transparent cell with electrodes, filled with a liquid crystal, located between two polarizers of optical radiation. One of the polarizers sets the polarization of the radiation that is sent to the cell. Under the influence of an electric field, the molecules of the liquid crystal in the cell change their orientation. By controlling the electric field applied to the cell, it is possible to change the birefringence characteristic of the liquid crystal and, thus, modify the polarization state of the radiation passing through the cell so that the radiation passes through the second polarizer with either minimum or maximum loss.

Этот оптический затвор принят за прототип полезной модели.This optical shutter is taken as a prototype of a utility model.

Недостатком прототипа является необходимость подачи электрического управляющего сигнала, что ограничивает возможность его применения в полностью оптических схемах логики или в сложных условиях, где нежелательно или невозможно использовать электрические сигналы и схемы. Также он имеет большие размеры (60 мм × 60 мм × 27 мм).The disadvantage of the prototype is the need for an electrical control signal, which limits the possibility of its use in fully optical logic circuits or in difficult conditions where it is undesirable or impossible to use electrical signals and circuits. It also has large dimensions (60 mm × 60 mm × 27 mm).

Предлагаемая полезная модель решает задачу создания управляемого оптического затвора, работающего без использования каких-либо электрических сигналов.The proposed utility model solves the problem of creating a controlled optical shutter operating without the use of any electrical signals.

Также предлагаемая полезная модель решает задачу упрощения конструкции и уменьшения размеров устройства.Also, the proposed utility model solves the problem of simplifying the design and reducing the size of the device.

Поставленная задача решается тем, что предлагается миниатюрный волоконный оптический затвор, включающий полый корпус, содержащий жидкий кристалл, в который вводится лазерное излучение, причем корпус выполнен в форме полой гильзы, с одного конца которой установлено входное одномодовое оптическое волокно, а с другого - выходное одномодовое оптическое волокно, расположенные соосно между собой и примыкающие соответствующими их концами к жидкому кристаллу. Внутренний диаметр полой гильзы целесообразно выполнить равным внешнему диаметру оптического волокна. В качестве кристалла целесообразно использовать нематический жидкий кристалл. Входное и выходное оптические волокна могут быть идентичны.The problem is solved by the fact that a miniature fiber optical shutter is proposed, including a hollow body containing a liquid crystal into which laser radiation is introduced, the body being made in the form of a hollow sleeve with an input single-mode optical fiber at one end and an output single-mode fiber at the other optical fiber located coaxially between each other and adjacent their respective ends to the liquid crystal. The inner diameter of the hollow sleeve, it is advisable to equal the outer diameter of the optical fiber. It is advisable to use a nematic liquid crystal as a crystal. The input and output optical fibers may be identical.

Сущность предлагаемого решения состоит в использовании эффекта светоиндуцированной переориентации молекул жидкого кристалла (эффекта Фредерикса), приводящей к возникновению самоколлимирующегося пучка при распространении лазерного излучения в объеме жидкого кристалла от одного оптического волокна до другого, с целью реализации функции оптического затвора (переключаемого коэффициента пропускания) в миниатюрном волоконно-оптическом устройстве. Если лазерный луч направить в жидкий кристалл, то в общем случае он будет испытывать дифракционное рассеяние. Также возможно рассеяние на сильных ориентационных неоднородностях (дисклинациях) в структуре жидкого кристалла. Это будет приводить к угловой расходимости луча, которая может значительно превышать дифракционную расходимость в открытом пространстве, и к потере мощности излучения в направлении распространения. Однако под действием достаточного сильного светового поля молекулы жидкого кристалла переориентируются, стремясь стать сонаправленными с вектором электрической напряженности светового поля. При определенной пространственной структуре электромагнитного поля световой волны (близкой к идеальному Гауссову пучку, ТЕМ₀₀-мода) это может приводить к такому локальному изменению эффективного показателя преломления жидкого кристалла, что будет наблюдаться эффект самофокусировки или даже самоколлимирования светового (лазерного) пучка, распространяющегося в жидком кристалле. Такой эффект легко достигается и хорошо изучен для случая введения лазерного излучения в жидкий кристалл с помощью одномодового оптического волокна, которое сохраняет структуру ТЕМ₀₀-моды. Если в результате переориентации молекул жидкого кристалла в поле бегущей световой волны дифракционная расходимость светового пучка точно компенсируется за счет эффекта самофокусировки, то излучение начинает распространяться в жидком кристалле в виде самоограниченного (self-confined) или самоколлимированного пучка. Такой пучок может поддерживаться и распространяться без существенных потерь на расстояния, на несколько порядков превышающие его диаметр [М. Peccianti, G. Assanto, "Nematicons", Phys. Rep., vol. 516, pp. 147-208, July 2012]. Таким образом, если апертура удаленного приемника излучения не превышает исходный диаметр пучка, вводимого в жидкий кристалл, то вся мощность излучения может быть собрана приемником только в случае формирования самоограниченного пучка. Такой пучок возникнет в жидком кристалле только при достижении определенной плотности мощности излучения, когда локальная напряженность поля световой волны достигнет определенного порогового значения, достаточного для переориентации молекул жидкого кристалла. При уменьшении напряженности поля световой волны (путем уменьшения мощности излучения) до значений ниже порогового светоиндуцированная ориентационная структура исчезнет - молекулы переориентируются в исходный порядок под действием упругих сил. На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого оптического затвора, гдеThe essence of the proposed solution consists in using the effect of light-induced reorientation of liquid crystal molecules (Fredericks effect), which leads to the appearance of a self-collimating beam during the propagation of laser radiation in the volume of the liquid crystal from one optical fiber to another, in order to realize the optical shutter function (switchable transmittance) in miniature fiber optic device. If the laser beam is directed into a liquid crystal, then in the general case it will experience diffraction scattering. Scattering by strong orientational inhomogeneities (disclinations) in the structure of a liquid crystal is also possible. This will lead to an angular divergence of the beam, which can significantly exceed the diffraction divergence in open space, and to a loss of radiation power in the direction of propagation. However, under the action of a sufficient strong light field, the molecules of the liquid crystal reorient, trying to become co-directional with the electric field vector of the light field. With a certain spatial structure of the electromagnetic field of the light wave (close to the ideal Gaussian beam, TEM ₀₀ mode), this can lead to such a local change in the effective refractive index of the liquid crystal that the effect of self-focusing or even self-collimation of the light (laser) beam propagating in the liquid crystal. Such an effect is easily achieved and well studied for the case of introducing laser radiation into a liquid crystal using a single-mode optical fiber, which preserves the structure of the TEM ₀₀ mode. If, as a result of the reorientation of the liquid crystal molecules in the field of a traveling light wave, the diffraction divergence of the light beam is precisely compensated by the self-focusing effect, then the radiation begins to propagate in the liquid crystal in the form of a self-confined or self-collimated beam. Such a beam can be maintained and propagated without significant loss over distances several orders of magnitude greater than its diameter [M. Peccianti, G. Assanto, "Nematicons", Phys. Rep., Vol. 516, pp. 147-208, July 2012]. Thus, if the aperture of the remote radiation receiver does not exceed the initial diameter of the beam introduced into the liquid crystal, then the entire radiation power can be collected by the receiver only if a self-limited beam is formed. Such a beam will arise in a liquid crystal only when a certain radiation power density is reached, when the local field strength of the light wave field reaches a certain threshold value sufficient to reorient the liquid crystal molecules. When the field of the light wave decreases (by reducing the radiation power) to values below the threshold, the photoinduced orientation structure disappears - the molecules reorient to the original order under the action of elastic forces. In FIG. 1 shows a General view of the proposed optical shutter, where

1 - полая цилиндрическая гильза из твердого материала (металл, пластмасса),1 - a hollow cylindrical sleeve of solid material (metal, plastic),

2 - входное одномодовое оптическое волокно,2 - input single-mode optical fiber,

3 - выходное одномодовое оптическое волокно,3 - output single-mode optical fiber,

4 - жидкий кристалл.4 - liquid crystal.

Внутренний диаметр полой гильзы 1 равен внешнему диаметру одномодовых оптических волокон 2 и 3; таким образом, оптические волокна плотно вставляются в гильзу. С одной стороны в полую гильзу 1 вставляется входное одномодовое оптическое волокно 2, по которому узким пучком подается входной оптический сигнал. Оно соосно расположено с вставленным в полую гильзу 1 с другой стороны выходным одномодовым оптическим волокном 3, по которому проходит выходной сигнал. В качестве оптического сигнала используется лазерное излучение. Пространство внутри полой гильзы 1 между одномодовыми оптическими волокнами 2 и 3 заполнено жидким кристаллом 4.The inner diameter of the hollow sleeve 1 is equal to the outer diameter of the single-mode optical fibers 2 and 3; thus, the optical fibers are tightly inserted into the sleeve. On the one hand, an input single-mode optical fiber 2 is inserted into the hollow sleeve 1, through which an input optical signal is supplied through a narrow beam. It is coaxially located with the output single-mode optical fiber 3 inserted into the hollow sleeve 1 on the other hand, along which the output signal passes. As an optical signal, laser radiation is used. The space inside the hollow sleeve 1 between single-mode optical fibers 2 and 3 is filled with liquid crystal 4.

Предлагаемый волоконный оптический затвор может работать в двух вариантах.The proposed fiber optical shutter can operate in two versions.

Вариант 1. На вход затвора по входному одномодовому оптическому волокну 2 поступает входной оптический сигнал. Если его мощность меньше порогового значения Р1, то оптическое излучение рассеивается на молекулах жидкого кристалла 4 и не доходит до выходного одномодового оптического волокна 3. В этом случае затвор закрыт. При повышении мощности входного сигнала выше порогового значения Р1 молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются под действием оптического поля, стремясь стать сонаправленными с вектором электрической напряженности светового поля. Это приведет к эффекту самоколлимирования лазерного пучка так, что излучение пройдет через жидкий кристалл 4 до выходного одномодового оптического волокна 3 практически без потерь. В этом случае затвор открыт. При уменьшении мощности входного оптического сигнала ниже порогового значения Р1 молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются в исходный порядок под действием упругих сил, и затвор становится закрыт для прохождения оптического излучения.Option 1. At the input of the gate through the input single-mode optical fiber 2 receives the input optical signal. If its power is less than the threshold value P1, then the optical radiation is scattered on the molecules of the liquid crystal 4 and does not reach the output single-mode optical fiber 3. In this case, the shutter is closed. When the input signal power is increased above the threshold value P1, the molecules of the liquid crystal 4 reorient under the influence of an optical field, trying to become co-directed with the vector of the electric field of the light field. This will lead to the effect of self-collimation of the laser beam so that the radiation passes through the liquid crystal 4 to the output single-mode optical fiber 3 with virtually no loss. In this case, the shutter is open. When the power of the input optical signal decreases below the threshold value P1, the molecules of the liquid crystal 4 are reoriented to the original order under the action of elastic forces, and the shutter becomes closed for the passage of optical radiation.

Вариант 2. На вход затвора, во входное одномодовое оптическое волокно 2 поступают два оптических излучения: сигнальное, которое должно пройти или не пройти через затвор, и управляющее, которое управляет пропусканием затвора. Эти два излучения могут отличаться по длине волны. Мощность сигнального излучения не превышает пороговое значение Р1, и само по себе оно через затвор пройти не может из-за сильного рассеяния на молекулах жидкого кристалла 4. В этом случае затвор закрыт. Включение управляющего излучения или повышение его мощности выше порогового значения Р1 приводит к тому, что молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются под действием оптического поля, стремясь стать сонаправленными с вектором электрической напряженности светового поля. Это приведет к эффекту самоколлимирования не только управляющего, но и сигнального оптического излучения так, что сигнальное излучение пройдет через жидкий кристалл 4 до выходного одномодового оптического волокна 3 практически без потерь. В этом случае затвор открыт. При уменьшении мощности управляющего излучения ниже порогового значения Р1 молекулы жидкого кристалла 4 переориентируются в исходный порядок под действием упругих сил, и затвор становится закрыт для прохождения сигнального оптического излучения.Option 2. At the gate input, two optical radiation enters the input single-mode optical fiber 2: the signal radiation, which must or may not pass through the gate, and the control radiation, which controls the gate transmission. These two emissions may differ in wavelength. The power of the signal radiation does not exceed the threshold value P1, and by itself it cannot pass through the gate due to strong scattering by the liquid crystal molecules 4. In this case, the gate is closed. The inclusion of control radiation or an increase in its power above the threshold value P1 leads to the fact that the molecules of the liquid crystal 4 are reoriented under the influence of an optical field, trying to become co-directed with the electric field vector of the light field. This will lead to the effect of self-collimation of not only the control, but also the signal optical radiation so that the signal radiation passes through the liquid crystal 4 to the output single-mode optical fiber 3 with almost no loss. In this case, the shutter is open. When the power of the control radiation decreases below the threshold value P1, the molecules of the liquid crystal 4 are reoriented to the original order under the action of elastic forces, and the shutter becomes closed for the transmission of signal optical radiation.

При практической реализации волоконного оптического затвора на жидком кристалле два идентичных одномодовых оптических волокна были соосно вставлены в полую цилиндрическую гильзу, наполненную нематическим жидким кристаллом. Расстояние между торцами волокна можно было прецизионно изменять от 10 до 100 мкм. В качестве источника лазерного излучения использовался лазерный диод с волоконным выходом (длина волны 1480 нм, перестройка мощности от единиц до 400 мВт). Эксперименты показали, что при плавном повышении мощности входного сигнала и достижении определенного порогового ее значения происходит резкий скачок в пропускании такого устройства - от единиц сразу до 90%.In the practical implementation of a liquid crystal optical fiber shutter, two identical single-mode optical fibers were coaxially inserted into a hollow cylindrical sleeve filled with a nematic liquid crystal. The distance between the ends of the fiber could be precisely varied from 10 to 100 microns. A laser diode with a fiber output (wavelength 1480 nm, power tuning from units to 400 mW) was used as a source of laser radiation. The experiments showed that with a smooth increase in the input signal power and reaching a certain threshold value, there is a sharp jump in the transmission of such a device - from units immediately to 90%.

Таким образом, предлагаемый оптический затвор, в отличие от известных устройств, работает без использования каких-либо электрических сигналов (т.е. он вообще не использует электрическое напряжение ни для питания, ни для управления); в качестве управляющего сигнала выступает само оптическое излучение. Волоконное исполнение предлагаемой полезной модели приводит к упрощению конструкции и уменьшению ее размеров (по сравнению с любыми неволоконными оптическими затворами), т.к. она не содержит никаких дополнительных элементов в виде поляризаторов и электродов для приложения электрического поля к жидкому кристаллу. Для обеспечения функции открывания/закрывания затвора используется эффект самоколлимирования лазерного излучения при достижении им определенной мощности вместо изменения характеристик двулучепреломления кристалла путем приложения электрического поля к ячейке.Thus, the proposed optical shutter, in contrast to known devices, operates without the use of any electrical signals (i.e., it does not use voltage at all for power or control); optical radiation itself acts as a control signal. The fiber version of the proposed utility model simplifies the design and reduces its size (compared with any non-fiber optical shutters), because it does not contain any additional elements in the form of polarizers and electrodes for applying an electric field to a liquid crystal. To provide the function of opening / closing the shutter, the self-collimating effect of laser radiation is used when it reaches a certain power instead of changing the characteristics of the birefringence of the crystal by applying an electric field to the cell.

Claims

1. A miniature optical fiber shutter comprising a hollow body containing a liquid crystal into which laser radiation is introduced, characterized in that the body is made in the form of a hollow sleeve, with an input single-mode optical fiber installed at one end of the sleeve and the other having an input fiber output single-mode optical fiber located coaxially between each other and adjacent their respective ends to the said liquid crystal.

2. The shutter according to claim 1, characterized in that the inner diameter of the hollow sleeve is equal to the outer diameter of the optical fiber.

3. The shutter according to claim 1, characterized in that the liquid crystal is nematic.

4. The shutter according to claim 1, characterized in that the input optical fiber and the output optical fiber are identical.