Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и средства оптической коммутации 10
1.1. Методы коммутации каналов 11
1.1.1. Оптическая коммутация каналов на основе временного разделения (OTDM) 13
1.1.2. Оптическая коммутация каналов на основе пространственного разделения (OSDM) 15
1.2. Элементная база оптической коммутации 20
1.2.1. Общие требования 21
1.2.2. Электромеханические переключатели интенсивности светового пучка 22
1.2.2.1. Микроэлектромеханический (MOEMS) переключатель 23
1.2.3. Переключатели интенсивности на основе фазового перехода. 26
1.2.4. Голографический пространственный переключатель 29
1.3. Выводы и предлагаемое решение поставленных задач 32
1.3.1 Цели и задачи 33
1.3.2, Предлагаемое решение 34
Глава 2. Разработка принципов оптической коммутации на базе матрицы динамических голограмм 36
2.1. Среда для записи динамических голограмм 37
2.1.1. Модель и основные уравнения 38
2..2. Динамическая голограмма как оптический переключатель 47
2.2.1. Исследование динамики дифракционной эффективности при импульсной записи и непрерывном считывании 48
2.3. Разработка технологии и изготовление образцов фотоносителя 52
2.3.1. Исследование оптического качества образцов фотоносителя. 55
2.3.2. Исследования временной стабильности характеристик и реверсивности 57
2.4. Выводы 58
Глава 3 Исследование возможности применения фотоносителя на основе бактериородопсина в качестве среды регистрации коммутирующих динамических голограмм 60
3.1. Исследование фазовых характеристик фотоносителя 62
3.2 Исследование динамики фотостимулированного изменения показателя преломления 66
3.3. Исследование механизма фотостимулированного изменения показателя преломления 68
3.4. Исследование влияния короткоживущих интермедиатов на динамические характеристики носителя 69
3.5. Требования к динамическим характеристикам носителя 72
3.6 Исследование возможности увеличения скорости регистрации голограмм 74
3.7. Эксперимент 76
3.8. Исследование влияния тепловых процессов на динамику дифракционной эффективности 81
3.9. Исследование условий формирования "тепловой" голограммы 83
3.10. Выводы 85
Глава 4. Исследование макета коммутатора на основе матрицы динамических голограмм 87
4.1. Элементная база 87
4.2. Исследование возможности увеличения поля коммутации 88
4.3. Исследование оптических характеристик тепловой линзы в среде с светозависимыми потерями 91
4.4. Материал нелинейного элемента 96
4.5...Макет системы произвольного сканирования с повышенным
разрешением и результаты его исследования 97
4.6. Макет коммутатора и результаты его исследования 102
4.7. Выводы 107
Заключение 109
Литература
- Элементная база оптической коммутации
- Исследование динамики дифракционной эффективности при импульсной записи и непрерывном считывании
- Исследование динамики фотостимулированного изменения показателя преломления
- Исследование оптических характеристик тепловой линзы в среде с светозависимыми потерями
Введение к работе
В современных условиях само понятие технического прогресса неразрывно ассоциирует со стремительным развитием телекоммуникационных и информационных технологий. Если еще несколько лет назад информационные сервисы реального времени на базе мультимедийных приложений [1, 2], такие как телемедицина, заказное телевизионное вещание высокой четкости (HDTV), потоковое видео и т.п. позиционировались исключительно в категории элитных услуг локальных сетей [3], то сегодня их скорейшая реализация в рамках инфраструктуры кабельных сетей городского (MAN) и территориального (WAN) уровня рассматривается крупными операторами и производителями оборудования как одно из основных условий успешной конкуренции с беспроводными сетями (WLAN) [4, 5, 6].
Решение этих задач требует создания принципиально новой коммутируемой цифровой абонентской сети каналов с волоконнооптическими абонентскими окончаниями, способной обеспечить «гарантированный уровень качества» (QoS) [7] и пропускную способность в несколько сотен Мбит/с [8,9]. Эксперты считают [10J, что социально-экономические последствия реализации такой сети на глобальном уровне могут оказаться сравнимыми с эффектом от появления всемирной паутины WWW.
Уже сегодня спектрально уплотненные волоконнооптические магистрали способны обеспечить пропускную способность в десятки Тбит/с [11]. Считается, что пропускной способности таких транспортных сетей вполне достаточно для того, чтобы пользователи
могли работать практически с любым трафиком сетевых приложений [12]. Тем не менее, даже в странах с самой передовой инфраструктурой связи (Японии, США, Сингапуре и т.д.) трафик абонентов сетей общего пользования ограничен стандартом ISDN (Integrated Services Digital Network) и для подавляющего большинства их пропускная способность не превышает 2 Мбит/с (Е1) [13]. Проблема в том, что для реализации новых услуг и информационных технологий необходимо не просто в десятки - сотни раз увеличить пропускную способность абонентских линий связи, но также предоставить по ним доступ требуемого «гарантированным уровнем качества» (QoS) [14]. Иными словами, нужны адекватные программно-аппаратные средства сетевого управления, способные любому абоненту сети общего пользования в любой момент времени обеспечить прозрачный доступ к любым открытым информационным ресурсам. Наиболее сложным сегментом этой проблемы является так называемая «проблема последней мили» [15], решение которой только на районном уровне потребует коммутации десятков тысяч высокоскоростных абонентских линий.
Признано, что средствами микроэлектроники решить эту задачу принципиально невозможно [16, 17]. Также признано, что наиболее перспективным путем решения этой задачи является оптическая коммутация каналов. По мнению экспертов Pioneer Consulting (одного из наиболее авторитетных в мире аналитических центров) [10,18], именно отсутствие эффективных средств оптической коммутации большого числа широкополосных каналов сегодня является главным препятствием для массового внедрения новых сетевых решений, служб и сегментов информационных услуг, а их разработка в кратчайшие сроки отнесена к числу важнейших направлений. Только
финансирование исследований в области оптической коммутации компании «Lucent» в 2005 году составило около $30 млн [19].
Целью работы является исследование физических принципов и эффектов, на базе которых может быть реализована независимая и неблокируемая оптическая коммутация большого числа высокоскоростных каналов передачи информации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать влияние условий записи и считывания на динамику дифракционной эффективности голограмм, регистрируемых в фотономителе на основе бактериородопсина.
Исследовать возможность режима импульсной записи и непрерывного считывания, при котором дифракционная эффективность голограммы может оставаться практически постоянной.
Исследовать влияние короткоживущих интермедиат фотоцикла бактериородопсина на дифракционные характеристики.
Исследовать возможность увеличения скорости импульсной записи голограмм за счет их регистрации на метастабильную форму бактериородопсина.
Разработать новый метод оптической коммутации, основанный на управлении пространственным положением световых пучков с помощью матрицы динамических голограмм в фотоносителе на основе бактериородопсина.
Разработать архитектуру оптического коммутатора, реализующего новый метод.
7. На базе полученных экспериментальных данных показать, что разработанные метод и средства открывают возможность реализации неблокируемой оптической коммутации порядка 10 тыс. каналов с суммарной производительностью порядка 10 Тбит/с.
Научная новизна
1. Предложен хметод пространственной коммутации оптических
каналов, основанный на перепрограммировании матрицы
регенерируемых динамических голограмм.
На примере бактсриородопсина исследованы условия импульсной записи голограмм на динамический фотоноситель и непрерывного их считывания. Показано, что путем периодической импульсной регенерации записи дифракционную эффективность голограммы на динамическом фотоносителе можно поддерживать на постоянном уровне.
Показано, что фоточувствительность и дифракционная эффективность носителя на основе бактериородопснпа зависит от скорости записи.
4. Показано, что динамика фотостимул ированного изменения показателя преломлени бактериородопсина совпадает с динамикой интермедиаты M4i2-Практическая значимость
Полученные в диссертационной работе результаты представляют интерес для разработки высокоскоростных сетей передачи данных и систем перепрограммируемых оптических связей.
Самостоятельный практический интерес представляют:
результаты по улучшению оптического качества динамических фотоносителей на основе бактериородопсина,
новый метод регистрации и регенерации динамических голограмм.
новый метод увеличения разрешающей способности системы оптической адресации.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
Всесоюзной конференции "Проблеммы Оптической памяти" (г. Ереван, Армения, 1990)
Всесоюзной конференции "Оптическая коммутация и сети связи" г.Суздаль, 1990
Int. Conf." Optical Memory and Neurel Networks", Zvenigorod, Russia, 1991,
Int. Conf. Current Developments in Optical Design and Optical Engineering II, San Diego, Calif. USA, 1992.
Int. Conf. Optical Applied Science and Eng., San Diego, Calif. USA, 1992
Int. Meeting Photonic Switching PS'92", Minsk, Belarassia, 1992
Int. Conf. HOLOGRAPHIC SYSTEMS, COMPONENTS and APPLICATIONS, Neuchatel, Switzerland, 1993,
Int. Conf.on Optical Information Processing, St.Petersburg, Russia, 1993
Int. Simp. Optics Q'uebec'93, Q'uebec, Can., 1993
Int. Symp. OPTOELECTRONICS for INFORMATION and MICROWAWE SYSTEMS, Las Angeles, Calif., USA, 1994
Int. Conf. "OM&NN'94", Moscov, Russia, 1994)
Int. Symp. "Materials and Instrument Design, San Diego, Calif. USA, 1995
Saratov Fall Meeting- 2005: Coherent Optics of Ordered and Random Media VI 2005.
И опубликованы в 23 работах.
Положения, выносимые на защиту
1. Динамически регенерируемая голограмма в бактериородопсине
может быть использована в качестве многопозиционного оптического
пространственного переключателя.
2. При записи на бактериородопсин светом с длиной волны более 550
нм уменьшение времени записи приводит к снижению
чувствительности и динамического диапазона фотоносителя.
3. В динамическом фотохромном голографическом носителе
существует режим импульсной записи и регенерации голограммы,
при котором дифракционная эффективность непрерывно считываемой
голограммы не зависит от времени релаксации записи в носителе и
сохраняет во времени практически постоянное значение.
4. Запись голограммы на метастабильную форму бактериородопсина
позволяет более чем в два раза увеличить скорость регистрации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Содержание диссертации изложено на 123 страницах машинописного текста и иллюстрировано 76 рисунками. Список литературы включает 105 наименования.
Элементная база оптической коммутации
Успех разработки того или иного архитектурного решения в значительной мере определяется параметрами элементной базы, с помощью которой оно реализуется. Проблема элементной базы систем оптической коммутации настолько сложна и многогранна, а требования к ее характеристикам настолько противоречивы, что сегодня уже трудно назвать связанную с модуляцией света технологию, физический эффект или разумную их комбинацию, которые в той или иной степени не был бы исследованы на предмет возможности их целевого применения. Тем не менее приходится констатировать, что и сегодня эта проблема практически так же далека от своего окончательного решения, как и двадцать лет назад, когда она впервые была выдвинута в число приоритетных. Очевидно, что в этих условиях любой обзор конечного формата будет не полным и в отсутствие формальных критериев селекции, представлять не более чем случайный набор поверхностной информации о разрозненных фактах. Поэтому, прежде чем приступить к обзору элементной базы сначала постараемся сформулировать необходимые критерии оценки, которые бы логически вытекали из поставленных целей и задач.
Очевидно, что масштабы глобальной сети нового поколения исключают ее реализацию параллельно существующей инфраструктуре связи и внедрение сразу и вдруг. Применительно к целям и задачам это означает, что любое претендующее на право существования решение должно обладать способностью интеграции в действующую инфраструктуру. Из чего следует, что разрабатываемая система коммутации должна иметь абонентскую емкость (как минимум) сравнимую с емкостью существующих телефонных станций ( 104х 104) и при этом обеспечивать пропускную способность, достаточную для трафика всего спектра информационных услуг сети нового поколения (0.2-1 Гбит/с), что соответствует производительности системы порядка 10 Тбит/с. Полученные количественные оценки дают основание для следующих выводов:
Требуемая система принципиально не может базироваться на архитектуре OTDM ввиду нереализуемости ее средств управления, что позволяет исключить из обзора все схемотехнические и технологические решения OTDM.
Бесперспективными представляются решения с межэлементными оптическими связями на базе световодов или световолокон, т.е. решения, требующие прокладки миллионов внутрисистемных линий связи. Как следствие, не рассматриваются решения на базе интегральной оптики [47,48], связанных световодах [49], 2D и 3D фотонных кристаллах [50], а так же светоиндуцированном резонансном поглощении [51].
Также не представлены решения для оптических переключателей, в которых динамический диапазон переключения меньше 23 дБ или имеет острую зависимость от угла падения управляемого светового пучка. Поскольку в первом случае принципиально невозможно достигнуть приемлемого отношения сигнал/шум, а во втором случае прибор непригоден для применения в системах с 3D архитектурой. В силу этого не рассматриваются решения на базе жидкокристаллических переключателях интенсивности [52], резонансных переключателях на эффекте оптической бистабилыюсти [53] перепрограммируемых объемных голограммах [54], на базе акусто и электрооптического эффекта [55].
Элементной базой значительного числа предложенных решений служат оптические переключатели интенсивности. Общий вид одного из первых (и до сих пор применяемых) приборов этого класса представлен на Рис. 9. Каждый переключатель имеет один одномодовый световодный вход и два расположенных рядом одномодовых световодных выхода. Входной световод закреплен на биметаллическом приводе, а его торец расположен напротив торца одного из выходных световодов.
Для переключения светового сигнала к биметаллическому приводу, на котором закреплен входной световод, подводится электрический сигнал управления. Под действием сигнала управления биметаллический привод изгибается и помещает торец входного световода напротив второго выходного канала, чем реализует переключение светового сигнала.
Исследование динамики дифракционной эффективности при импульсной записи и непрерывном считывании
Для анализа возможности использования бактериородопсин в качестве среды для записи коммутирующих голограмм, рассмотрим динамику взаимосвязанного изменения светового поля в условиях неразделимости во времени процессов экспонирования, формирования пространственно-временной структуры записи и ее разрушающего считывания [88].
Чтобы не усложнять картину учетом поляризационных эффектов, будем считать, что волновые векторы распространяющихся в среде волн лежат в плоскости ху, а векторы напряженности электрического поля параллельны оси Oz. При этом характеристикой среды, определяющей распространение световых волн, является компонента комплексного тензора диэлектрической проницаемости ezz. В дальнейшем, вместо szz будем писать є, поскольку при такой геометрии все величины EZZ не зависят ОТ Z.
Без учета отражений на границах слоя, рассмотрим две квазиплоские монохроматические и когерентные между собой световые волны, связь между которыми осуществляется через объемную голограмму в виде дифракционной решетки. Записывая z-компоненту электрического поля Е в виде Е=Е(х,у) exp(-ia)t)+K.C, где ш круговая частота света, К.С. - комплексно-сопряженное выражение, из волнового уравнения получаем уравнение для Е(х,у) в виде: Щх,у)=-с2со2є(х,у)Е(х,у), (2.1) Где: с - скорость света в вакууме, Д = с .-,л+ ,.„ 2 - двухмерный лапласиан.
Введем усредненную диэлектрическую проницаемость є(х)= є(х,у) , где угловые скобки обозначают усреднение по области среды, размер которой велик по сравнению с пространственным периодом объемной решетки, но мал по сравнению с толщиной среды L (предполагается, что L»A , где Д-длина волны света в среде). С учетом периодического характера зависимости от у, є(х,у) можно представить в виде є(х.у) = є(х) + є(х,у). (2.2) Очевидно, что в рассматриваемом случае є(л\у) - это описывающая дифракционную решетку периодическая по координате у функция, которая может быть представлена в виде: х Z(x, у) = 2 lY, К W ехр(/Ж,, V) + є; (х) Qxpi-mK у у)]. (2.3) причем /ц 0 - v-компонента волнового вектора решетки. Высшие гармоники в последнем выражении появились в результате нелинейности процесса записи. Предполагая приближенное выполнение условия Брэгга [87] для основной гармоники пространственной решетки, можно записать электрическое поле при 0 x L в виде Е(х,у)=Е1(х,у)+Е2(х,у) , (2.4) где ,( ,) = ,(х)ехр \i\kjx )dx ikiyy\, г=1,2 (2.5) В (2.5) к/у , к2у - -компоненты волновых векторов световых волн, причем к2,=к} тКу, т - номер гармоники, которая удовлетворяет условию Брэгга, a kiv совпадает в силу граничных условий с таковой при х 0 и .v L, kjx(x), к2х(х) - соответствующие х-компоненты, определяемые из дисперсионного уравнения вида: ki(x) + k;=c-Ws(x). (2.6)
Для определенности будем считать что, нами регистрируется пропускающая голограмма. При этом к)х(х), к2х(х) 0. Реально изменение при записи диэлектрической проницаемости и х-компонент волновых векторов малы, т.е. Дє/s «1 и Akx/kx «1. В этом случае для решения можно воспользоваться методом связанных волн [88], обобщенным на случай диэлектрической проницаемости описанного выше вида. После подстановки (2.5) в (2.3) в результате преобразований получим следующую систему уравнений: дЩ = Т 1 - К (х)Ё2 (х) ехр{/ )[к2х (х ) - „ (х )}dx\ ох 4c- lA.(.v) [і J дЁ2 (х) і о . г,;(х)1(л-)ехр\і\[ки(х )-к2х(х )]сІх сх 4с-к,х(х) J
Каждое фотоиндуцированное превращение в элементарной структурной единице среды сопровождается, вообще говоря, изменением ее вклада в диэлектрическую проницаемость. Поэтому, учитывая малость изменения диэлектрической проницаемости, можно написать е = С,е,, (2.8) где суммирование ведется по всем формам среды, С,- - доля /-ой формы
В Общем КОЛИЧеСТВе СТруКТурНЫХ еДИНИЦ, Так ЧТО C,.=l, Sj диэлектрическая проницаемость /-формы. Формула (2.8) сводит описание динамики диэлектрической проницаемости к линейным кинетическим уравнениям для величин С,. вида f --ІЗД (2.9) причем в силу сохранения общего числа структурных единиц должно выполняться равенство ]Г5;; =0 Коэффициенты S,y, itf, представляют собой (с точностью до знака) вероятности соответствующих процессов перехода из одной метастабильной формы в другую и отличны от нуля, когда осуществляется переход из/-формы в /-форму. Величины S,y зависят от спектра поглощаемого света. Ограничиваясь линейным по интенсивностям светового поля приближением, имеем s =s+s1.. I V " (2.10) где 1((о) описывает спектр экспонирующего света, рц(со) -спектральная чувствительность і-той формы, S не зависит от І(со). В частности, для монохроматического света Si = pg(e )\E[.
Рассмотрим два наиболее важных случая записи голограммы -непрерывную запись и запись короткими световыми импульсами. При непрерывной записи пиковая интенсивность невелика. По этой причине влиянием короткоживущих интермедиатов можно пренебречь, а выражение (2.8) представить в виде: є=Саєа+СьЄь=Єа+ Су, (2.11) где Са - доля структурных единиц среды в стабильной форме, Ба -диэлектрическая проницаемость стабильной формы, Сь - доля структурных единиц в метастабильной форме, 6 - диэлектрическая проницаемость метастабильной формы, С=Сь, у-Єь-єа, С0+С/,=/.
Исследование динамики фотостимулированного изменения показателя преломления
Для измерения dn(t) на пьезопреобразователь акустооптического расщепителя подается сигнал ВЧ генератора. При этом дифрагированная в расщепителе часть светового пучка (Ad) измерительного лазера сдвигается на частоту ВЧ генератора {со), проходит сквозь измеряемую среду и с помощью полупрозрачного зеркала подается на фотоприемник. С помощью другого зеркала в ту же точку фотоприемника коллинеарно направляется недифрагированная часть светового пучка с выхода расщепителя (Ао). Фотоприемником регистрируется результат интерференции дифрагированного и недифрагированного светового пучка. Выходной сигнал фотоприемника при этом имеет вид:
Этот сигнал поступает на вход фазометра, с помощью которого измеряется фазовый сдвиг между сигналами фотоприемника Up(t) и генератора U/t).
Величина и знак фотостимулированного изменения показателя преломления на момент времени /, расчитывается из результатов измерения по формуле: Где Ф(ґі)- значение фазового сдвига для экспонированного образца, Фо - фазовый сдвиг для неэкспонированного образца. Толщина пленки бактериородопсина исследуемого образца составляла 38мкм. В качестве расщепителя использовалась акустооптическая ячейка с звукопроводом из стекла, которая возбуждалась радиосигналом частотой 120МГц. Измерение и экспонирование образцов осуществлялось на длинах волн He-Ne (А=0.63 мкм) и второй гармоники АИГ (Х=0.53мкм) лазеров. Для устранения теплового влияния света на результаты измерений средняя плотность мощности измерительного светового пучка составляла менее 1 мВт/см", а экспонирующего - до 0.3 Вт/см". На рис.ЗЗа приведены измеренные зависимости фотостимулированного изменения показателя преломления от интенствности экспонирующего света, а на рис.ЗЗб - соответствующая зависимость поглощения.
Зависимость фотостимулированного изменения показателя преломления (а) и поглощения (б) от интенствности экспонирующего света
Видно, что величина фотостимулированного изменения показателя преломления пропорциональна коэффициенту поглощения образца и составляет порядка 10" . Результаты измерения зависимости фотостимулированного изменения показателя преломления от влажности образца представлены в Таблице 1 [94]. Видно, что величина фотостимулированного изменения показателя преломления растет с увеличением влажности образца. Что может быть объяснено снижением вязкости матрицы и, как следствие, ростом подвижности.
Исследование динамики проводились на длине волны He-Cd (Х=0.44мкм) лазера, при экспонировании световыми импульсами второй гармоники АИГ лазера (),=0.53 мкм) с регулируемой оптическим затвором длительностью 1-104мкс. Средняя плотность мощности измерительного светового пучка в плоскости образца составляла менее 1 мВт/см".
На рис.34 представлена осциллограмма фотостимулированного изменения показателя преломления (верхняя кривая) при экспонировании световым импульсом длительностью 5мкс (нижняя кривая). Время развертки 50мкс. Для выяснения механизма фотостимулированного изменения показателя преломления образец сначала экспонировался только светом He-Ne (?.=0.63 мкм) лазера с плотностью мощности около 0.1 Вт/см", а затем одновременно светом He-Ne и He-Cd лазера (Х=0.44 мкм, плотность мощности около 0.2 Вт/см2). Под действием только света с Х=0.63 мкм бактериородопсин из стабильного состояния Вг=--; переходит в метастабильное состояние Мш а при включение дополнительной подсветки с Х,=0.44 мкм часть его молекул принудительно переходит из Мц: обратно в Вг?. Наблюдаемая в этом случае динамика показателя преломления представлена на Рис.36.
Видно, что фотостимулированное изменение показателя преломления при одновременном экспонирование светом с Х=0.63мк и Х=0.44мк меньше, чем при экспонирование только светом с А=0.63мк. Что однозначно указывает на определяющий вклад собственного изменения показателя преломления Мц? в формировании фазовой компоненты записи. Поскольку в случае, если бы эффект имел тепловую природу, одновременное экспонирование должно было приводить в увеличению амплитуды изменения показателя преломления, а не к наблюдаемому в эксперименте ее уменьшению. На практике это означает, что при скоростной регистрации голограммы на стабильную (Вг57о) форму бактериородопсина следует учитывать влияние короткоживущих интермедиатов его фотоцикла.
Исследование оптических характеристик тепловой линзы в среде с светозависимыми потерями
Для формирования требований к элементной базе коммутатора еще раз обратимся к представленной на Рис. 39 его структурной схеме. Из описания видно, что емкость коммутатора в значительной мере определяется возможностями системы записи голограмм, требования к которой вытекают из характеристик динамического фотоносителя. Также видно, что для реализации большой емкости коммутатора в системе записи голограмм должны применяться дефлекторы с высоким разрешением и быстродействием. Анализ показывает [100], что наиболее полно предъявляемые к дефлекторам требования могут быть выполнены средствами акустооптики.
Известно [101], что максимальное число независимых (разрешаемых по критерию Рэлея) пространственных положений N, в которые световой пучок может быть адресован с помощью двухкоординатного акустооптического дефлектора, оценивается исходя из углового диапазона сканирования 0 (в - У, где Af- ширина полосы согласования пьезопреобразователей, v3 - скорость звука в среде акустооптического взаимодействия) и дифракционной расходимости сканируемого светового пучка (р W "А/г\ гДе & диаметр сканируемого светового пучка.) кк:
При этом скорость переключения между произвольными положениями определяется временем пересечения светового пучка акустическим сигналом, т.е.:
Таким образом, использовав в качестве среды взаимодействия монокристалл парателлурида (ТеСЬ), один из самых эффективных акустооптическнх материалов. Скорость звука в котором составляет примерно 0.62 10J м/с, а полоса согласования Д/достигает 80 мГц. Можно убедиться, что при световом пучке записи диаметром около 2 мм, применение акустооптическнх дефлекторов обеспечивает время переключения менее 3 мкс и разрешение до 10 положений.
Учитывая, что период регенерации голограмм (Т) в бактериородопсине составляет порядка 100 мс, а время записи одной голограммы (At) можно оценить как Д/=(2-3)г. Видно, что система записи на базе двухкоординатных акустооптическнх дефлекторов позволяет регистрировать и одновременно регенерировать до T/At -\0 коммутирующих голограмм.
Исследование возможности увеличения поля коммутации
В тех случаях, когда требуемое поле коммутации превышает 104 каналов, разрешающей способности даже акустооптическнх устройств оказывается недостаточно для записи и регенерации всего количества голограмм. В рамках решения этой проблемы был предложен и исследован [102] способ увеличения разрешающей способности. который позволяет реализовать дефлектор с разрешающей способностью, превышающей дифракционный предел в Л =#/„ независимых положений. /У Оптическая схема системы произвольного сканирования с повышенным разрешением представлена на Рис.46. Она состоит из дефлектора, фокусирующей линзы 1, нелинейного элемента из материала с показателем преломления, зависящим от интенсивности падающего на него света и проекционной линзы 2, которая переносит изображение в адресную плоскость сканирования с повышенным разрешением. / Оптически нелинейной среда
Под действием управляющего сигнала дефлектор отклоняет световой пучок на заданный угол в пределах диапазона сканирования ($), Линза 1 фокусирует отклоненный пучок на нелинейном элементе. При этом размер светового пятна в фокальной плоскости линзы! (d ) оценивается выражением: где Fj - фокусное расстояние линзы I. D -диаметр отклоненного светового пучка. А область сканирования пятна (L) по нелинейному элементу составляет: L = eFl9 (4.4) где 9 - угловой диапазон сканирования дефлектора.
Таким образом, разрешающая способность дефлектора в плоскости нелинейного элемента в лучшем случае оценивается условием:
Под действием света в нелинейном элементе образуется оптическая неоднородность в виде динамической линзы, которая дополнительно фокусирует световой пучок до размера: ш= (4-6) а где// - эффективное фокусное расстояние динамической линзы. А вторая линза (L ) переносит изображение из фокальной плоскости динамической линзы в адресную плоскость. Поскольку индуцированная светом динамическая линза не изменяет пространственного диапазона сканирования, а вторая линза не меняет масштаба изображения, то диапазон сканирования и в адресной плоскости также составляет L. В то время, как разрешающая способность в адресной плоскости (Na) теперь описывается выражением: К=-г (4.7) «Vi Таким образом, из сравнения (4.5) с (4.7) видно, что в результате применения нелинейного элемента разрешающая способность в адресной плоскости изменилась (увеличилась) в К раз, где: А = -А- = адц=- і. (4.8)
Эффективность предложенного решения становится более очевидной, если при оценки коэффициента увеличения разрешающей способности (4.8) воспользоваться известным соотношением между эквивалентным фокусным расстоянием линзы (fcl ) и величиной фазовой задержки на ее периферии (ДФ), имеющим вид: ЛФ = , (4.9) где: R - радиус (светоинАудированной) линзы Таким образом, с учетом (4.6) и (4.9), увеличение разрешающей способности (4.8) описывается выражением: К = сІ/сі{і=4ЬФа/л. (4.10) Из которого видно, что при светоиндуцированном изменении фазы светового пучка более чем на л/4, разрешение в адресной плоскости превышает разрешающую способность использованного дефлектора.
качестве нелинейного элемента в работе использован тонкий капилляр, заполненный раствором поглощающего свет красителя с большой величиной температурного коэффициента показателя преломления и малой теплоемкостью. Динамическая линза формируется за счет локального нагрева раствора в результате поглощения красителем части падающего на нелинейный элемент света.
