Глава  15

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ (ВОЛС)

15.1. МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛС

 

Волоконно-оптические линии связи относятся к наиболее пер­спективным средствам передачи информации. В этих линиях в ка­честве переносчика сигналов используются световые волны, пе­редатчиками чаще всего служат полупроводниковые лазеры или светодиоды, а приемниками -фотодиоды. При этом световые вол­ны, модулированные полезным сигналом, передаются по волокон­ным световодам. К основным преимуществам ВОЛС по сравнению с известными системами связи относятся: широкополосность и высокая пропускная способность, малое затухание передаваемых сигналов, высокая защищенность от внешних помех, малые габа­риты и масса [41, 42, 63]. В ВОЛС, в зависимости от их назначения, могут использоваться разные типы волоконных световодов. На­пример, в широкополосных системах дальней связи (дальность более 100 км) применяются одномодовые или градиентные волок­на, а в системах со сравнительно узкой полосой пропускания и дальностью не более 10 км используют градиентные и многомодо-вые волокна.

Подобно СВЧ тракту ВОЛС в дополнение к источнику светово­го излучения, волоконно-оптическому кабелю и фотоприемнику содержит ряд элементов, которые осуществляют требуемую обра­ботку передаваемых сигналов. Наиболее часто используют сле­дующие элементы: разъемные и неразъемные соединители, разветвители, направленные ответвители, переключатели, модулято­ры, устройства, объединяющие оптические сигналы разных частот в общем световоде (мультиплексоры) или разделяющие подобные сигналы (демультиплексоры), полосовые фильтры и др. Хотя по своим функциональным свойствам элементы оптического тракта во многом аналогичны элементам тракта СВЧ (см. гл.13-14), ис­пользование конструкций элементов тракта СВЧ в оптическом Диапазоне практически невозможно. Это связано с весьма малой величиной длины волны оптического излучения.

В оптическом диапазоне решающее значение при создании того или иного элемента имеет выбранная технология изготовления. Многие элементы и узлы изготавливаются по очень сложной технологии и почти на пределе технических возможно­стей, поскольку допуски на геометрические размеры составляют доли длины волны (доли микрометра). Сле­дует отметить, что работа по созданию элементов оптического тракта еще далека от завершения. Поэтому ряд элементов разра­ботан и освоен промышленностью, другие элементы находятся в стадии разработки. В настоящее время многие элементы могут быть реализованы в трех различных конструктивных вариантах, называемых микрооптической, интегрально-оптической или воло­конно-оптической конструкциями.

При создании устройства в микрооптическом варианте исполь­зуют методы и элементы, аналогичные применяемым в техниче­ской оптике. В технической оптике, как правило, имеют дело со световым излучением, распространяющимся в воздушной среде. Обычно электромагнитную волну, переносящую мощность свето­вого излучения, представляют в виде светового пучка, состоящего из ряда лучей. С каждым лучом связывают определенную часть энергии, переносимую волной; направление каждого луча совпа­дает с направлением перемещения световой энергии. Иногда та­кую волну называют лучевой. Как правило, некогерентный источ­ник светового излучения (светодиод) создает на своем выходе све­товой пучок, имеющий приближенно равномерное распределение амплитуд векторов поля в плоскости, перпендикулярной оси пучка. В свою очередь, световой пучок на выходе когерентного источника (лазера) имеет структуру поля, называемую распределением Га­усса, при котором амплитуда вектора Е уменьшается по опреде­ленному закону при увеличении расстояния от осу пучка (рис. 15.2). Такое излучение называют либо гауссовым пучком, либо гауссовой лучевой волной [42]; оно характеризуется величиной наибольшего сужения (талия пучка) 2и/0 и углом расхождения в дальней зоне 2©о, которые связаны формулой где λ-длина волны излучения в среде, где происходит распространение.

Для обработки световых пучков в технической оптике приме­няют разные элементы: линзы, призмы, зеркала, дифракционные решетки и т.д. Например, с помощью линзы пучок параллельных лучей (рис. 15.1) может быть сфокусирован (плоская электромаг­нитная волна преобразуется в сферическую), а расходящийся пу­чок может быть коллимирован, т.е. преобразован в пучок парал­лельных лучей. Подобная линза преобразует гауссов пучок с тали­ей w1 в гауссов пучок с талией w2 (рис.15,2). При этом расстояния

z1 и z2 от линзы до плоскостей с наибольшим сужением пучков оп­ределяются по формулам   F-фокусное  расстояние  линзы,причем F>F0, знаки перед вторыми слагаемыми либо оба положи­тельные, либо оба отрицательные. В оптических трактах, где ис­пользуются волоконные или планарные световоды, поперечные размеры световых пучков весьма малы, поэтому и элементы для их обработки должны иметь малые размеры (порядка миллимет­ра). Вследствие этого конструкция оптических устройств для ВОЛС, состоящая из ряда элементов с малыми размерами, полу­чила название микрооптическая. При изготовлении таких конст­рукций применяют достаточно сложные технологии, обеспечи­вающие необходимую точность изготовления столь малых объек­тов. Весьма не просты сборка и настройка подобных конструкций, поскольку их отдельные элементы должны быть установлены в нужном месте и должным образом ориентированы; кроме того, должна быть обеспечена необходимая жесткость и прочность всей конструкции. Сложность изготовления возрастает при увеличении числа элементов в микрооптической конструкции.

            Отмеченные трудности при изготовлении микрооптических конструкций устройств удается отчасти преодолеть при ис­пользовании интегрально-оптических конструкций. В этом случае оптическое устройство или его часть, состоящие из ряда эле­ментов, соединенных отрезками линий передачи, объединяются на общей подложке и изготавливаются одновременно (подобно ин­тегральной схеме). В результате образуется миниатюрная опти­ческая конструкция, обеспечивающая весьма плотную компоновку элементов, высокую прочность и надежность, низкий уровень по­терь при передаче оптических сигналов, поскольку удается ис­пользовать минимально возможные длины соединительных отрез­ков. Как правило, интегрально-оптические конструкции элементов ВОЛС строятся на основе или планарного световода, или разных типов полосковых световодов. Планарную конструкцию должныиметь и все элементы, составляющие оптическую схему. Отсут­ствие в настоящее время полного набора таких элементов зат­рудняет интеграцию на общей подложке достаточно больших и сложных оптических схем. Кроме того, трудности в использовании интегрально-оптических конструкций в ВОЛС состоят в обеспе­чении эффективной стыковки выходов таких схем с волоконными световодами.

Наиболее удобными для использования в оптических трактах ВОЛС являются элементы, имеющие волоконно-оптическую конст­рукцию. Подобные элементы конструируются непосредственно внутри волоконного световода. В настоящее время это наименее разработанная область техники: создано весьма малое количество элементов, имеющих такую конструкцию [42].

Отметим, что, хотя для большинства используемых устройств оптического тракта существует несколько возможных вариантов конструктивной реализации, для каждого конкретного устройства существует оптимальный вариант реализации, при котором обес­печиваются лучшие параметры и технологичность.

Так как фазовая скорость, длина волны, коэффициент осла­бления и другие характеристики электромагнитной волны зависят от свойств среды, то, изменяя диэлектрическую или магнитную проницаемость среды, можно влиять на распространение волны. Это явление используется в управляющих оптических устройствах, таких как переключатели, модуляторы, регулируемые делители сигналов, фазовращатели и др. Параметры некоторых сред изме­няются при приложении к ним постоянного электрического поля (электрооптический эффект), постоянного магнитного поля (магни­тооптический эффект), или механического воздействия (пьезооптический эффект). Наиболее ярко электрооптический эффект про­является в диэлектриках и полупроводниках с кристаллической структурой. Подобная структура придает кристаллам анизотроп­ные свойства (коэффициент преломления п такой среды зависит от направления распространения световой волны). Анизотропия . бывает естественная, проявляющаяся в отсутствии внешнего по­стоянного электрического поля, и наведенная, проявляющаяся только при приложении внешнего электрического поля. В анизо­тропной среде диэлектрическая проницаемость εr=п2 становится тензором (см.1.2.3). Если оси координат совпадают с главными осями кристалла, то его оптические свойства описываются тремя показателями преломления пх, пу, nz. Влияние такого кристалла на распространение электромагнитной волны учитывают с помощью эллипсоида показателей преломления (рис. 15.3), называемого оп­тической индикатрисой и описываемого уравнением [42] (х/пх)2+ + (y/ny)2+(z/nz)2=1.

Пусть волна распространяется, как показано на рис. 15.3. Плоскость, проходящая через нача­ло координат перпендикулярно вектору Пойнтинга, пересечет эллипсоид по эллипсу с полуосями п1 и п2. Если вектор Е волны параллелен полуоси п2 коэффициент преломления кристалла для такой волны равен п2. Для волны, вектор Е кото­рой параллелен полуоси п2, коэффициент пре­ломления равен п2. Под воздействием внешнего электрического поля изменяются ориентация в

пространстве и величина полуосей эллипсоида показателей пре­ломления. Например, кристалл LiNbO3 является одноосным [42]. Для него пх = nу = п0, a nz = ne; эллипсоид является симметричным относительно оптической оси Z. Приложение постоянного электри­ческого поля Ео вдоль оси Z не изменяет ориентацию эллипсоида в пространстве, а изменяет лишь величины п0 и пe на величину  Та­ким образом, коэффициент преломления п волны зависит от ее направления распространения, поляризации и величины внешнего электрического поля Ео. В общем случае зависимость п от Ео оп­ределяется формулой  где r-линейный электрооптический коэффициент (коэффициент Поккельса), R-квадратичный электрооптический коэффициент (коэффициент Керра). Как правило, при конструировании управляющих опти­ческих элементов используют линейный электрооптический эф­фект, называемый эффектом Поккельса [65] и применяют мате­риалы, где этот эффект наиболее ярко выражен [42]: танталат лития LiTaОз, ниобат лития LINbO3, арсенид галлия GaAs и др.

Как было показано в гл.14, намагниченный феррит обладает анизотропными свойствами, его магнитная проницаемость стано­вится тензором. При этом величина отдельных компонент тензора изменяется при изменении внешнего магнитного поля Но (магни­тооптический эффект). Наибольшее применение на практике при создании элементов ВОЛС находят ферриты типа железоиттриевого граната [41]. Использование подобного материала позво­ляет строить оптические элементы на основе эффекта Фарадея либо использовать ферромагнитный резонанс (оптические вен­тили) (см.14.3).

Акустооптический эффект заключается в изменении пока­зателя преломления вещества при деформациях, вызванных ме­ханическим воздействием, например сжатием или растяжением. Обычно для создания сжатий или разряжений в веществе воз­буждают ультразвуковые колебания (звуковые волны). Наиболее широкое применение на практике находят следующие акустооптические материалы: арсенид галлия (GaAs), плавленый кварц, германий и др [64].

 

15.2. УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ЭНЕРГИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Оптический тракт ВОЛС содержит специальные устройства (оптические соединители) для соединения разных элементов друг с другом. Основные тре­бования к ним: малые оптические поте­ри, надежность, простота сборки, низкая стоимость.

Соединители волоконных световодов чаще всего строятся или на непосредственном торцевом соединении световодов, или с применением коллимирующих и фокусирующих элементов. Неза­висимо от оптической схемы соединители делятся на два класса: неразъемные и разъемные. Неразъемные соединители обеспе­чивают минимально возможные оптические потери, в свою оче­редь, разъемные соединители позволяют осуществлять много­разовое соединение различных устройств. При непосредственном соединении волоконных световодов их специально обработанные торцы соединяются друг с другом. В неразъемных соединителях (рис.15.4) удаляется часть оболочки, а сердечники сращиваются друг с другом с помощью сплавления, сварки или склеивания. Кор­пус соединителя 1, в который иногда помещают отрезки ме­таллических или керамических стержней 2, обеспечивает необхо­димую прочность соединения. Для качественного соединения во­локон в разъемных соединителях их торцевые поверхности поли­руют и шлифуют, стараясь сделать их плоскими и параллельными друг другу (перпендикулярными оси волокон). После этого сое­диняемые концы закрепляются в армирующих наконечниках, кото­рые обеспечивают требуемое совмещение световодов, прочное и надежное закрепление в соединителе [41].             

При торцевом соединении одинаковых световодов оптические потери, в соединителе зависят от взаимного расположения све­товодов (рис.15.5) и от отражений от торцов световодов. Оценить зависимость оптических потерь от величины радиального смеще­ния ∆r/а, от углового рассогласования Θ и от величины зазора ∆z/a (рис.15.5) можно по формулам и графикам, приведенным в [41, 63]. Это позволяет выбрать необходимую точность совмещения воло­кон. Например, для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ

радиальное смещение должно быть ∆r/ ≤ 0,2, что для многомодо-вых волокон с 2а≈50 мкм требует точность совмещения не хуже 5 мкм, а для одномодовых с 2а≈7 мкм-не хуже 0,7 мкм; угловое рассогласование на Θ= 1° приводит в многомодовых световодах к потерям порядка 0,3 дБ, а в одномодовых-0,8 дБ; оптические по­тери менее 0,5 дБ обеспечиваются в мнгогомодовых световодах при зазоре ∆r/a < 0,7, а в одномодовых при ∆r/a< 7. Соединители на основе торцевого соединения требуют при изготовлении весьма жестких допусков на положение соединяемых волокон. В настоя­щее время технология изготовления неразъемных соединителей хорошо отработана и обеспечивает потери порядка 0,1...0,ЗдБ. Однако жесткие допуски затрудняют создание качественных разъ­емных соединителей. Как правило, для обеспечения малых опти­ческих потерь в разъемных соединителях используются микролин­зы. Основным достоинством соединителей такого типа является слабая зависимость оптических потерь от взаимного расположе­ния микролинз, жестко связанных с волоконными световодами. На рис. 15.6 показаны некоторые схемы оптических соединителей с микролинзами. В этом случае излучение, выходящее из волокон­ного световода 1 с помощью линзы 2 преобразуется в широкий параллельный световой пучок (коллимируется), который с помо­щью второй фокусирующей линзы 3 вводится в выходной све­товод. Наиболее широкое применение нашли сферические (рис.15.5, а) и градиентные (рис.15.6, б) стержневые линзы. В схе­мах с линзами для получения малых оптических потерь требуется весьма высокая точность совмещения торцов световодов с фоку­сами линз. Например, в случае соединения многомодовых свето­водов для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ требуется точность совмещения ±5 мкм [41]. Кроме того, в схемах со сферическими линзами нельзя крепить волокно на поверхно­сти линзы, поскольку фокус линзы находится на некотором расстоянии от нее. Градиентная стержневая линза представ­ляет собой отрезок цилиндрического стержня, выполненного из стекла, показатель преломления которого уменьшается от оси стержня к его боковой поверхности, как в градиентном световоде (см. 10.7). Распростране­ние световых пучков в таком стержне аналогично распрост­ранению в градиентном свето­воде. При определенной длине отрезок стержня ведет себя как линза, причем фокус такой лин­зы находится на торцевой по­верхности стержня. Это позво­ляет крепить волоконный световод непосредственно к торцу стержня.

     

Применяемые в нас­тоящее время оптические со­единители с микролинзами име­ют величину оптических потерь 0,5...2дБ[41].

Важной характеристикой световода является так назы­ваемая числовая апертура NA. Ее необходимо учитывать при стыковке и возбуждении воло­кон. Числовая апертура волокна равна NA=sin(φmax), φmax -наибольший угол падения лучей на то­рец световода (рис.15.7), при котором преломленный (вошедший в сердечник) луч испытывает полное отражение от границы раздела сердечник-оболочка. Лучи,   падающие  на торец  под углами φ< φmax, образуют лучи, распространяющиеся внутри сердечника (лучи 1 и 2 на рис.15.7). Если луч падает на торец под углом φ< φmax, то преломленный луч попадает на оболочку под углом па­дения меньше критического (луч 3 на рис.15.7), что приводит к вы­теканию энергии из сердечника в оболочку. Используя законы Снеллиуса, нетрудно показать, что  

При соединении разных волокон на оптические потери в сое­динителе кроме рассмотренных выше факторов, оказывают влия­ние отличия волокон в числовой апертуре, диаметре сердечников и в количестве распространяющихся волн [41, 42]. Например, если по входному световоду мощность P1переносится М1 волнами, то при идеальном соединении его с выходным световодом, по кото­рому распространяется М2 волн, в выходной световод можно пе­редать мощность  Поэтому для обеспечения минимальных оптических потерь при соединении многомодовых световодов необходимо, чтобы полное число мод входного световода не превосходило полного числа мод выходного  световода,  т.е.   M2>M1.   При   реализации  однонап­равленных соединений это условие является и достаточным. Если же предполагается через соединение передавать мощность как в прямом, так и в обратном направлении, данное условие следует заменить строгим равенством.

Соединители источников излучения с волоконными све­товодами. Для ввода излученной источником мощности Ри в воло­конный световод используют специальные устройства. Одним из главных параметров таких устройств является эффективность ввода ζ=РB/Ри, где РB - оптическая мощность, введенная в све­товод. Величина  ζ, зависит от величины излучающей площадки источника, его диаграммы направленно­сти, спектрального состава излучения, диаметра сердечника и числовой аперту­ры световода, количества мод, возбуж­даемых источником, и количества мод, направляемых световодом, взаимного расположения источника и световода, па­раметров используемых микролинз и ря­да других факторов. В качестве источни­ков оптического излучения наиболее широ-

кое применение в ВОЛС находят светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры. Сравнительные характеристики СИД и лазеров приведены в [42]. По основным параметрам, в первую очередь по спектру излучаемых частот и диаграмме направленно­сти излучения, СИД значительно уступают лазерам. Однако благо­даря низкой стоимости, простоте изготовления и высокой надеж­ности они находят применение в ВОЛС небольшой протяженности, с низкой скоростью передачи информации, где можно использо­вать многомодовые световоды с достаточно большим диаметром сердечника 2а и большой числовой апертурой NА

Обычно для увеличения излучаемой мощности СИД выпол­няют со сравнительно большой излучающей площадкой, диаметр которой 2аи, как правило, больше диаметра сердечника много-модового волокна. Каждый элемент излучающей площадки СИД имеет диаграмму направленности в виде поверхности вращения, сечение которой (рис.15.8) плоскостью, проходящей через перпен­дикуляр к излучающей площадке, описывается функцией cos φ. Поэтому СИД применяют для возбуждения многомодовых свето­водов, используя торцевое соединение: торец волокна прибли­жают непосредственно с излучающей площадке СИД (см. рис. 15.8). При этом отражения от торца волокна уменьшают или заполняя зазор между диодом и волокном иммерсионным маслом, коэф­фициент преломления которого равен коэффициенту преломления сердечника волокна щ, или наносят на торец волокна просвет­ляющее покрытие, выполненное из диэлектрика с коэффициентом преломления n=√n1 и имеющее толщину Λ/4. Если аи≤а, то излу­чение каждого элемента излучающей площадки диода попадает в волокно и переносится там с помощью направляемых волн, при­чем волокном направляется не вся мощность, излучаемая каждым элементом, а только та часть, которая излучается в пределах уг­лов φ≤arcsin NA. Если аи> а, то излучение элементов излучающей площадки диода, расстояния от которых до точки пересечения продольной оси волокна с излучающей площадкой диода больше  а ,не направляется волокном. В этом случае максимально достижимая

эффективность ввода при торцевом соединении СИД с многомодовым волокном составляет ζтах = (NАа/аи)2[65], а при соединении СИД с градиентным волокном, имеющим параболиче­ский профиль и такое же значение NА, величина ζтах будет вдвое меньше. Применение фокусирующих линз в этом случае не увели­чивает, а наоборот, лишь уменьшает ζ из-за потерь в линзе. Обычно при вводе излучения СИД в многомодовое волокно опти­ческие потери составляют 14...20 дБ [41].

Для возбуждения одномодовых волокон СИД не используют из-за низкой эффективности ввода (ζ<<1, так как а<<аи). В этом случае применяют разные типы лазеров. Наиболее широкое при­менение находят полупроводниковые лазеры с одинарной и двой­ной гетероструктурой [42]. В таких лазерах полосковой геометрии светящаяся площадка обычно имеет прямоугольную форму с раз­мерами  аихbи (рис.15.9), диаграмма излучения  которой  предс­тавляет несимметричный лепесток с углами раскрыва 2φх и 2φу в соответствующих плоскостях. Типичные значения: аи = 2...6мкм, bи = 20...100мкм, φх=10...20°, φу=5...10°. Благодаря столь малым размерам светящейся площадки и узкой диаграмме направлен­ности эффективность ввода излучения в волокно при торцевом соединении гораздо выше, чем у СИД. Например, потери при вво­де излучения лазера в многомодовое волокно составляют 6...7 дБ, а в одномодовое 8...12 дБ[41]. Для повышения эффективности ввода излучения лазера в волокно применяют разнообразные оп­тические согласующие элементы: разные типы микролинз, поме­щаемые на торце волокна (рис. 15.10), или сферические и гради­ентные микролинзы и их комбинации, помещаемые между лазером и волокном (рис.15.11). Отметим, что в случае, когда площадь из­лучающей  площадки   меньше  площади  сердечника  световода, применение микрооптических линзовых элементов позволяет по­лучить ζ = 0,8...0,9. На эффективность ввода излучения в волокно влияют также факторы, рассмотренные при соединении волокон (децентровка, угловое смещение и т.д.). В настоящее время сред­ние оптические потери при вводе излучения лазера в стандартное градиентное волокно составляют около 1 дБ, а в одномодовое во­локнооколо 3...6 дБ [41]. Полупроводниковые полосковые лазеры идеально подходят для возбуждения полосковых световодов. На основе таких лазеров строят оптические интегральные схемы ,включающие источник излучения [64]. Отметим, что в настоящее время находят применение волоконные лазеры [42]. Это твердо­тельные лазеры, одним из элементов которых является воло­конный световод. Использование таких лазеров позволяет с высо­кой эффективностью вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и в одномодовые.

 

15.3. ДЕЛИТЕЛИ И СУММАТОРЫ МОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ

 

Для распределения мощнос­ти оптического сигнала по нес­кольким каналам используют де­лители, а для объединения нес­кольких оптических сигналов в од­ном канале - сумматоры. Одним из простейших делителей или сумматоров является Т-развет-вление световодов. Такое разветвление можно выполнить

в микрооптическом (рис.15.12), планарном (рис. 15.13) и волоконном (рис. 15.14) вариантах. В первом случае (рис. 15.12) волна, распространяющаяся в волоконном световоде плеча 1, с помощью градиентной стержневой линзы транс­формируется в лучевую волну свободного пространства (парал­лельный пучок световых лучей). На пути распространения лучевой волны под углом 45° к направлению ее распространения уста­навливается светоделительная пластина, которая частично про­пускает и частично отражает мощность падающей волны. Под­бирая величину диэлектрической проницаемости пластины и ее толщину, добиваются, чтобы прошедшая и отраженная волны переносили требуемую мощность (например, равную). Затем с помощью фокусирующих градиентных линз прошедшая и отра­женная волны преобразуются в направляемые волны выходных волоконных световодов, образующих плечи 2 и 3. Устанавливая

вдоль линии, соединяющей продольные оси световодов в плечах 1 и 3, несколько светоделительных пластин, параллельных друг другу и расположенных на некотором расстоянии одна от другой, можно получить делитель, обеспечивающий деление входного сигнала на несколько частей. В планарной (рис. 15.13) и волокон­ной (рис. 15.14) конструкциях Т-разветвления световодов неодно­родность, образующаяся в месте разветвления, приводит к появ­лению излучения в окружающее пространство. Для уменьшения этого излучения до пренебрежимо малой величины обычно вы­бирают малый угол разветвления (Θ≈1...2°) и достаточно боль­шую длину l=3...5 см.

При создании многоканальных делителей световых сигналов чаще используют параллельную схему деления. На рис. 15.15 показана волоконная конструкция делителя со смесительным све­товодом: к обоим торцам смесительного световода, имеющего достаточно большой диаметр сердечника, прикрепляются воло­конные световоды. Энергия светового излучения, передаваемая по любому входному световоду, попадает в смесительный све­товод и после многократных отражений на границе раздела сер­дечника и оболочки в выходные волокна. Подбирая параметры и длину смесительного волокна (обычно несколько сантиметров), можно обеспечить одинаковые потоки энергии, переносимые волнами в выходных световодах. Для уменьшения потерь в схеме стараются максимально плотно расположить волокна на торцах смесительной области.

Более проста в изготовлении и имеет меньшие вносимые потери конструкция делителя со сплавленными волокнами (рис. 15.16). Волоконные световоды скручиваются и вытягиваются, а место скрутки нагревается с помощью кислородно-пропановой горелки, что приводит к сплавлению волокон в зоне сужения, которая и играет роль смесительного световода. Вносимые потери здесь мене 1 дБ при числе входных и выходных волокон порядка 100 [63].

В системах, где по световодам одновременно распрост­раняются как передаваемые, так и принимаемые сигналы, можно использовать конструкцию делителя с отражающим зеркалом: на выходной торец смесительного волокна (рис. 15.15) наносят от­ражающий слой, в случае применения сплавленных волокон (рис. 15.16) разрезают зону скру­чивания посередине и на полу­ченный торец наносят отра­жающий слой. На рис. 15.17 по­казана интегрально-оптическая конструкция делителя с отражающим слоем.

В стеклянной пластине сформирована светопроводящая пленка (планарный световод), образующая прямоуголь­ную смесительную область, плавные переходы и полосковые све­товоды. На противоположный торец смесительной области нане­сен отражающий слой, например многослойное диэлектрическое покрытие.

Для деления или суммирования оптических сигналов можно использовать направленные ответвители (см.14.1). Обмен энер­гиями волн между двумя световодами, расположенными на опре­деленном расстоянии друг от друга, может возникнуть или за счет поля, излучаемого из световода, или за счет поля поверхностных волн световодов. В первом случае для создания поля излучения световод должен иметь неоднородности, вызывающие излучение при распространении волны по световоду. Во втором случае световоды сближают до тех пор, пока каждый из них не окажется в поле поверхностной волны другого световода. Последний случай чаще используется на практике при конструировании ответвителей, поскольку в этом случае можно обеспечить любой переход энергии из одного световода в другой, вплоть до полного.

Отметим, что явление связанных волн наблюдается и между волнами одного многомодового световода, если между ними по­является связь, например за счет специально формируемых в световоде неоднородностей (дифракционная решетка, см. 15.4), Существенной разницы в проявлении этого явления не будет, за исключением определения коэффициента связи волн.

Поскольку в волоконных световодах для распространяю­щихся волн поле вне оболочки практически отсутствует, то для получения связи между такими световодами часть оболочки в месте соприкосновения волокон удаляется путем стачивания или расплавления. В последнем случае за счет расплавления оболочек обеспечивается прочность соединения волокон.  На рис.15.18 показана волоконная,

а на рис. 15.19 интегрально-оптическая конструкция ответвителя. Мощность  Р1 поданная в плечо 7, делится между выходными плечами 2 и 3, а в плечо 4 мощность практически не ответвляется.

Рассмотрим взаимодействие волн двух световодов (рис. 15.19) при не очень сильной связи. В этом случае приближенно можно представить поле в связанной системе через поля волн одиночных световодов. Пусть по первому световоду распространяется волна,. напряженность электрического поля которой равна Em1=E1exp(-iβ1z); а по второму-волна с вектором Em2 = E2exp(-iβ2z). Если свето­воды не связаны друг с другом, то между комплексной амплитудой вектора Е каждой волны и скоростью ее изменения вдоль оси 2 существует очевидная связь dEm1/dz=-iβ1Em1 и dEm2/dz=-i β2Еm2.В области связи световодов волна одного световода служит источником для волны другого, поэтому можно записать dEm1/dz где К1 и K2-погонные коэффициенты связи между волнами. Величины К1 и К2 можно рассчитать, зная поля волн в одиночных световодах, по форму­лам, приведенным в [42]. Поэтому если на вход области связи; (pиc.15.19) поступает волна, переносящая .мощность Р1 то, ис­пользуя решение системы выписанных уравнений (т.е. определив поля в области связи), можно получить следующие формулы для мощностей Р2 и Р3 на выходах области связи [42]:

Зависимости Р2/Р1 и Р3/Р1 от произведения Kl при разных величинах ∆β, рассчитанные по (15.1), показаны на рис. 15.20. При β1= β2 возможно из первого световода ответвить любую часть мощности во второй световод,

 

для этого следует подобрать величину l или К (К меняется при изменении расстояния между световодами в области связи). Полная передача мощности из первого во второй световод обеспечивается при l =π/(2К). Если β1≠ β2, то есть ∆β≠О, то невозможно полностью передать мощность из первого во второй световод. Зависимость ответвленной части мощности Р3/Р1 от величины ∆β l /π при l =π/(2К) показана на рис.15.21, т.е. вели­чину ответвленной мощности можно изменять путем изменения коэффициентов фазы волн в световодах. Это свойство исполь­зуется при построении регулируемых направленных ответвителей и переключателей.

В данном случае полосковый ответвитель (рис. 15.19) форми­руется в среде с достаточно сильным электрооптическим эф­фектом и дополняется системой электродов, на которые подается управляющее напряжение (рис. 15.22). При приложении постоян­ного напряжения Uo к электродам изменяется коэффициент пре­ломления среды в области связи световодов, что приводит к изменению коэффициентов фаз β1иβ2 волн, распространяющихся по световодам в области связи. При этом мощность ответвленного сигнала в плече 3 меняется в соответствии с рис.15.21. Если выб­рать одинаковые световоды, чтобы β1= β2 при Uo = 0, и длину области связи l =π/(2К), то при Uo = 0 вся мощность из плеча 1 будет проходить в плечо 3. При приложении напряжения Uo, для

которого β1- β2 =√3π l, сигнал и; плеча 1 полностью проходит в плече 2. Описанная конструкция переклю­чателя (рис. 15.22) требует весьма жестких допусков на изготовление, чтобы обеспечить требуемую длину l  области связи и равные коэффициенты фазы волн в световодах.

 

Указанный   недостаток   устраняется в двухсекционном переклю­чателе на направленном ответви-J°   теле (рис. 15.23). Переключатель со­стоит из двух каскадно включенных направленных   ответвителей   (сек­ций) одинаковой длины l 1 причем 2 l 1=π/(2К). Каждая секция управля-ется отдельно. Если к каждой секции приложить одинаковые по величине, но противоположные по знаку напряжения Uo, то вся входная мощность из плеча 1 будет ответвляться в плечо 3, поскольку если в первой секции в первом световоде коэффициент преломления увеличивается на какую-то величину из-за прило­женного к электродам напряжения, то в том же световоде во второй секции коэффициент преломления уменьшается на такую же величину, т.е. усредненный по длине коэффициент прелом­ления световодов остается примерно таким же, как и в отсутствии напряжения. При приложении к электродам секций равных на­пряжений, совпадающих по знаку, сигнал из плеча 1 полностью поступает в плечо 2, так как в этом случае переключатель сов­падает с переключателем, изображенным на рис. 15.22. В двухсек­ционном переключателе ухудшение параметров из-за неточностей изготовления можно скомпенсировать подбором соответствующих управляющих напряжений на электродах каждой секции. Более подробно вопросы проектирования оптических направленных ответвителей и переключателей на их основе изложены в [41, 42].

 

15.4. ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ОПТИЧЕСКОГО ТРАКТА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ

 

В технической оптике широко используются дифракционные решетки [66]. В простейшем случае дифракционная решетка пред­ставляет собой прямоугольную пластину, выполненную из непро­ницаемого для света материала, в которой прорезаны перио­дически повторяющиеся щели. Анализ действия такой решетки, выполненный в [66], показывает, что решетка является спект­ральным прибором: пучок белого света, падающий на решетку, за ней растягивается в спектр. Это свойство и позволяет исполь­зовать дифракционные решетки в микрооптических конструкциях элементов, обладающих частотно-избирательными свойствами, например в схемах полосовых разделительных фильтров опти­ческих сигналов [41].

Большой интерес в настоящее вре­мя представляют конструкции элементов, в которых дифракционные решетки вст­раиваются непосредственно в световод. Это позволяет создавать интегрально-оп­тические конструкции устройств с ди­фракционными решетками. Ниже рас­сматриваются подобные конструкции.

Пусть на поверхности стеклянной пластины (подложки), имеющей коэффициент преломления n3, сформирован слой, имеющий коэффициент преломления п1 и толщину h. Окружающее пространство имеет коэффициент преломления п2 (рис.15.24). Если n1>n3>n2, то образуется планарный световод, по которому могут передаваться оптические сигналы. Дифракционную решетку в таком световоде можно сформировать разными способами. Можно, как показано на рис.15.24, на длине l  сформировать ряд плоскопараллельных слоев, имеющих коэффициент преломления п1+∆п. Сформиро­ванные слои отстоят друг от друга на расстояние χ и составляют угол  с продольной осью световода (ось Z). Можно, как показано на рис. 15.25, на длине l  периодически (с периодом χ) плавно изменять толщину светопроводящего слоя от минимальной h-∆h до максимальной h + ∆h или, как на рис.15.26, нанести на поверхность светопроводящего слоя дополнительный слой с коэффициентом преломления n4(n2<n4<n1) и в нем на длине l сформировать ряд плоскопараллельных слоев, имеющих коэффи­циент преломления п4+∆п; сформированные слои отстоят друг от друга на расстояние χ и составляют угол  с продольной осью световода (ось Z). В любом случае в световоде образуется ряд периодически расположенных неоднородностей, образующих диф­ракционную решетку. Как правило, используют относительно ма­лые изменения параметров решеток: ∆n<<n1 (рис.15.24), или ∆h<<h(рис.15.25), или ∆n<<n4 (рис.15.26). Пусть распространяющаяся по световоду в направлении оси Z электромагнитная волна с коэффициентом фазы β1 поступает на вход решетки. Такая волна на ) каждом элементе решетки будет возбуждать множество направляемых волн световода, кроме того, часть энергии падающей волны может излучаться в окружающее пространство (для уменьшения излучения и используют малые изменения парамет­ров решетки). Те возбужденные направляемые волны, которые могут распространяться в данном световоде, будут от каждой неоднородности распространяться как в направлении оси Z (на выход решетки), так и в противоположном направлении (на вход решетки). Поэтому поле любой волны, которая может распрост­раняться по световоду и имеет коэффициент фазы β2, на входе и выходе решетки будет состоять из суммы соответствующих волн, создаваемых каждым элементом решетки. При этом если фазы отдельных волн на входе (или на выходе) решетки отличаются на целое число 2π (синфазные волны), то амплитуда результирующей возбужденной волны на входе (или на выходе) будет наибольшей; если же фазы отдельных волн отличаются на нечетное число π (волны противофазны), амплитуда результирующего поля будет близка к нулю. Таким образом, поступающая на вход решетки волна при определенных условиях будет эффективно преобра­зовываться в волну иного типа, которая может распространяться или в том же направлении, что и поступающая на вход волна, или в обратном. Условие такого резонансного преобразования падаю­щей волны с коэффициентом фазы β1 в волну другого типа с коэффициентом фазы β2 можно записать в виде [64]

где т=±1; ±2;..., верхний (нижний) знак соответствует распростра­нению возбужденной волны в том же (в обратном} направлении, что и падающая.

При бесконечной длине решетки в ней будет происходить периодический обмен энергиями между волнами с коэффици­ентами фазы β1и β2. Это связано с тем, что возбужденная в решетке волна с коэффициентом фазы β2, распространяясь по области решетки, на каждом ее элементе также возбуждает мно­жество типов волн, и наиболее эффективно ее мощность преоб­разовывается в мощность волны с коэффициентом фазы β1,

удовлетворяющим условию (15.2). При относительно малом изме­нении параметров световода в решетке происходит резонансное преобразование лишь двух типов волн, соответствующих т=±1 в (15.2), а преобразованием их в волны других типов, в том числе и излучением на неоднородностях, можно пренебречь [64].

В решетке конечной длины I мощность, переносимая воз­бужденной  волной  на выходе решетки,  зависит не только от мощности падающей волны и параметров решетки, но и от длины решетки (аналогично от длины области связи зависела мощность ответвленной волны в направленном ответвителе (см. 15.3)). Поэтому если на вход решетки поступает падающая волна с коэффициентом фазы β1, переносящая мощность Р1 то на выходе решетки появится волна с коэффициентом фазы β2, переносящая мощность Р3, и волна с коэффициентом фазы β1, переносящая мощность Р2. Связь между величинами P1, Р2 и Р3 устанав­ливается формулами (15.1), где коэффициент связи волн К может быть рассчитан по формулам, приведенным в [64], а величина ∆β рассчитывается по формуле

При выполнении условия (15.2) ∆β = 0. Зависимость отно­шений Р2/Р1 и Р3/Р1 от произведения Кl при разных ∆β показана на рис. 15.20. Как видно, падающая волна полностью преобразуется в возбуждаемую при минимальной длине решетки l =π/(2К) и вы­полнении условия (15.2), т. е. при ∆β = 0.

Отметим, что для дифракционной решетки, образованной изменением толщины светопроводящего слоя (рис. 15.25) по си­нусоидальному закону h1=h+∆h sin (2πz/χ), условием резонансного преобразования двух волн является равенство (15.2) при  = π/2.

Если возбуждаемая решеткой волна, переносящая мощность Р3, движется в обратную сторону по отношению к падающей (знак минус в (15.2)), то при ∆β = О связь мощностей рассчитывается по следующим формулам [64]:

Как следует из (15.3), величина Р3/Р1, учитывающая преоб­разование мощности падающей волны, в мощность волны, отра­женной от решетки, увеличивается при увеличении длины решетки I. Эта величина приближается к единице (падающая волна пол­ностью переходит в волну, отраженную от решетки, при этом мощность прошедшей через решетку волны Р2 стремится к нулю) тем быстрее, чем точнее выполняется условие (15.2).

Рассмотрим некоторые применения дифракционных решеток. Пусть плоскопараллельные слои, имеющие коэффициент прелом­ления п1+∆п (см.рис. 15.24), расположены перпендикулярно на­правлению распространения падающей волны, т. е.  = π/2. В этом случае, чтобы падающая волна эффективно отражалась от ре­шетки (возбужденная в решетке волна того же типа, что и па­дающая, т.е. β2 = β1), необходимо выполнить условие (15.2), кото­рое при т =-1 принимает вид

где Λ-длина падающей волны в световоде. Требуемую величину коэффициента отраже­ния обеспечивают соответствующей длиной решетки l, определяемой из (15.3). На этой основе строят полупрозрачные или полностью отражающие диэлектрические зеркала (рис. 15.27), состоящие из чередующихся сло­ев диэлектрика толщиной Λ/2 с разными диэлектрическими проницаемостями. Коэффициенты отражения (P2/Pi) и пропускания (Рз/P1) зависят от длины решетки l (от количества слоев диэлектрика в ней) и могут быть рассчитаны по (15.3). Такие многослойные зеркала, размещенные под некоторым углом к направлению распространения падающей волны, ис­пользуются в качестве светоделительных элементов. Микроопти­ческая конструкция делителя с таким зеркалом показана на рис. 15.12. Интегрально-оптическая конструкция делителя свето­вых сигналов показана на рис. 15.28. Она состоит из Х-разветвления полосковых световодов, в области разветвления которых сформировано многослойное полупрозрачное зеркало, располо­женное под углом 45° к осям разветвления. Толщина зеркала выбрана из (15.3) так, чтобы Р3/Р1 = 0,5. При этом половина мощ­ности, поступающей в плечо 1, отражается от зеркала и направ­ляется в плечо 3, а оставшаяся часть проходит в плечо 2.

Отметим, что подобные многослойные зеркала могут служить полосовыми отражающими фильтрами. Например, если в схеме (рис.15.28) толщина зеркала выбрана достаточной, чтобы пра­ктически полностью отразить мощность падающей волны на частоте f1 (это происходит при выполнении условия (15.2) на частоте f1), то при изменении частоты величина отражений па­дающей волны от решетки будет уменьшаться (нарушается условие (15.2) на частоте f2). Поэтому мощность из плеча 1 на частоте f1 будет отражаться от зеркала и полностью проходить в плечо 3, а на частоте f2, достаточно удаленной от f1, мощность из плеча 1 будет полностью проходить в плечо 2. Используя каскад­ное соединение схем (рис. 15.28), несложно построить схему разделительно

полосового фильтра, выделяющего оптические сигналы разных частот. Для этого дифракционные решетки в каждом разветвлении световодов должны быть рассчитаны на отражение сигналов требуемых частот. На рис. 15.29 показана интегрально-оптическая конструкция полосового фильтра, состоящая из от­резка полоскового световода длиной l, на концах которого сфор­мированы многослойные диэлектрические зеркала. Такой фильтр обеспечивает максимальное пропускание сигнала со входа на выход  на частотах,  соответствующих условию Λ= l /(2т),  где m = 1,2.....

Пусть плоскопараллельные слои, имеющие коэффициент пре­ломления n1+∆n (рис.15.24), составляют небольшие углы  с направлением распространения падающей волны, как показано на рис. 15.30. В этом случае, если решетка достаточно толстая (l1>χ2 /Λ) и работает в режиме отражения (знак минус в (15.2)), то при падении падающей волны с коэффициентом фазы β1 под углом  к решетке возникнет прошедшая волна того же типа, распространяющаяся в том же направлении, а возбужденная решеткой волна с коэффициентом фазы β2 (иногда ее называют дифракционной волной) будет распространяться под углом 2 к направлению распространения падающей волны. Если дифрак­ционная волна является волной того же типа, что и падающая (β1 = β2), то условие преобразования (15.2) переходит в следующее, называемое условием Брегга:

где Б угол брегговской дифракции. Эффективность преобразо­вания (Р3/Р1) можно определить по (15.1), где l=l1/cosB-эффек­тивная длина решетки,  К- коэффициент связи волн, зависит от типа падающей волны и ее поляризации и может быть вычислен по формулам из [64]. Зависимость величин (P 3/P1) и (P2/P1) от Кl показана на рис.15.20. При l=π/(2К) мощ­ность падающей волны полностью передается дифракционной волне, т.е. решетка в этом случае отклоняет падающий световой пучок на угол 2Б.

При меньшей длине решетки происходит деление мощности падающей волны на две части, переносимые волнами, движу­щимися в разных направлениях.

Отметим, что описанная выше дифракция Брегга наблю­дается лишь в сравнительно толстых решетках l1>χ2/А. При этом возникает лишь одна дифракционная волна и эффективность преобразования на решетке сильно зависит от угла падения v

выполнения условия (15.5). Если же решетка сравнительно тонкая

то в результате дифракции падающей волны на ре­шетке возникает несколько дифракционных волн, распростра­няющихся под углами - целое число [66].

В схеме (рис. 15.30) при неизменном угле падения угол отклонения дифракционной волны, удовлетворяющий условию (15.5), изменяется при изменении или периода решетки χ или частоты падающей волны. Это свойство использовано в инте­грально-оптической конструкции переключателя (рис.15.31). Планарный световод строится из материала с сильным акусто-оптическим эффектом. Для формирования дифракционной ре­шетки в световоде возбуждается поверхностная акустическая волна. Для этого используют систему встречно-штыревых элект­родов, нанесенную на поверхность световода методами плана-рной технологии. При приложении переменного напряжения к электродам в материале возбуждается акустическая волна, кото­рая, распространяясь по световоду и отражаясь от его торца, образует стоячую волну, т.е. в световоде образуются механи­ческие сжатия и разряжения. Это приводит к появлению областей с периодически меняющимся показателем преломления с перио­дом χ, равным длине акустической волны в материале световода. Угол падения электромагнитной волны в световоде и частота акустической волны выбираются из условия (15.5), а величина l1 обеспечивает полное преобразование мощности падающей волны в мощность дифракционной волны. Путем включения и выклю­чения возбудителя акустической волны можно изменять направ­ление распространения падающего светового потока. Подобное переключение мржно выполнить и путем изменения частоты акустической волны, что приведет к изменению направления рас­пространения дифракционной волны(угол 1 изменится на 2)- Это позволяет создать переключатель на несколько положений.

Дифракционную решетку можно использовать в качестве уст­ройства ввода оптического излучения в пленарный или полосковый световоды или для вывода энергии из них. Пусть на поверхности планарного световода сформирована дифракционная решетка, состоящая из диэлектрических полос с коэффициентом

преломления п4, расположенных перпендикулярно направлению распространения волны в световоде (рис. 15.32). Распространяю­щаяся по световоду волна с коэффициентом фазы β1, будет вблизи каждой диэлектрической полосы, образующей неоднородность в световоде, возбуждать не только волны, которые могут распро­страняться по световоду, но и волны, излучающиеся в окружаю­щее пространство. Диаграмма направленности излучения отдель­ной полоски решетки обычно несколько вытянута в сторону распространения волны в световоде (рис. 15.33). Поля излучения соседних полосок отличаются по фазе на величину β1χ .Мак­симальное излучение решетки будет в тех направлениях, где поля излучения, создаваемые полосками, складываются синфазно. Эти направления, характеризуемые углами Θт, можно определить из следующего условия синфазности полей излучения, создаваемых в дальней зоне соседними полосками:  ­ка излучала энергию только в одном направлении под углом ©1, период решетки % должен удовлетворять условию  Величина мощности, переносимая волной, излучаемой решеткой, зависит от длины решетки (количества полосок в ней), изменяя которую можно ответвить из световода или всю, или часть мощ­ности падающей волны:

Согласно принципу взаимности ответвитель, позволяющий трансформировать мощность волны световода в мощность луче­вой волны, распространяющейся под углом Θ 1, может работать и как возбудитель волн в световоде. Для этого следует создать лучевую волну и направить ее под углом Θ1 к решетке. При этом в световоде будет эффективно возбуждаться волна с коэффици­ентом фазы β1. Подбирая период решетки и угол падения на нее лучевой волны, можно в световоде возбуждать разные типы волн.