Оптичний аттенюатор та фільтри з використанням згинів волоконних світловодів

Аналіз оптичних фільтрів, що використовують згини ВС

Принципи використання спектрально-селективних властивостей границі розділу двох оптичних середовищ При падінні світлової хвилі на ідеально плоску границю розділу двох діелектриків, розміри якої значно перевищують довжину хвилі, кут між напрямком розповсюдження заломленої хвилі та нормалью до границі розділу (кут заломлення r) пов’язаний з кутом падіння і законом Снелліуса законом заломлення (рис. 4.1):

(4.1).

де — відносний показник заломлення середовища, в якому розповсюджується заломлене світло, відносно середовища, в якому розповсюджується падаюче світло.

Рисунок 4.1- Заломлення світлової хвилі на границі розділу двох середовищ.

Якщо світлова хвиля з оптично більш густого середовища падає на границю розділу з оптично менш густим оптичним середовищем (< 1), то при кутах падіння і? ікр, де sin ікр =, заломлена хвиля відсутня і світло повністю відбивається від оптично менш густого середовища. Це явище називається явищем повного внутрішнього відбиття. Кут ікр називається граничним (критичним) кутом повного внутрішнього відбиття.

Величина R, що дорівнює відношенню інтенсивностей відбитої та падаючої хвиль, називається коефіцієнтом відбиття. Величина Т, що дорівнює відношенню інтенсивностей заломленої та падаючої хвиль, називається коефіцієнтом пропускання. На границі розділу двох прозорих середовищ виконується співвідношення R+Т = 1. В разі повного внутрішнього відбиття R = 1, Т = 0.

При падінні під кутом і на плоску границю розділу двох середовищ плоскої неполяризованої світлової хвилі коефіцієнт відбиття.

де r — кут заломлення.

Таким чином, за рахунок явища повного внутрішнього відбиття, через границю розділу двох оптичних середовищ проходять лише промені, для яких виконуються умови і? ікр, де ікр = arcsin (). З іншої сторони, величина показника заломлення середовища n залежить від довжини хвилі згідно з формулою Селмейера:

(4.3).

де Аі та li — коефіцієнти Селмейера, які залежать від складу скла.

Тобто, починаючи з деякої довжини хвилі явище повного внутрішнього відбивання для променя може не виконуватись (оскільки змінюється), частина світлового сигналу перейде в друге середовище, і рівень цього переходу (співвідношення між R та Т) буде залежати від довжини хвилі. Таким чином, границя розділу двох оптичних середовищ буде мати спектрально-селективні властивості. Цей факт можна використати для побудови оптичних фільтрів.

Оскільки волоконний світловод (ВС) за своєю конструкцією складається з серцевини та оболонки з показниками заломлення та відповідно, які мають спільну границю розділу, причому >, він має спектрально-селективні властивості. Ці властивості витікають з принципу дії волоконного світловоду — а саме: з принципу повного внутрішнього відбиття. У волоконному світловоді можуть розповсюджуватись лише ті промені, для яких виконується цей принцип. Зокрема з нього витікає умова для вводу світла у світловод:

sin иА <, (4.4).

де иА — максимальний кут вводу світла у волоконний світловод, при якому виконуються умови повного внутрішнього відбиття. Для променів з порушенням цієї умови не виконується принцип повного внутрішнього відбиття. Враховуючи той факт, що в співвідношення (4.4) входять показники заломлення серцевини та оболонки, значення яких залежить від довжини хвилі, вже на етапі вводу променів у ВС виконується операція спектральної селекції випромінювання за довжиною хвилі.

З іншого боку, для променів, що вже розповсюджуються по ВС, умови повного внутрішнього відбиття можуть порушитись в місцях згину ВС. Саме в місцях згину порушується умова для кута падіння і? ікр, і частина променів починає переходити в оболонку і розсіюватись в ній. Загасання б у ВС збільшується. І, оскільки коефіцієнти R та Т залежать як від кута падіння, так і від та, збільшення загасання залежить від довжини хвилі світлового сигналу. Тобто загасання на згині ВС має спектрально селективні властивості. Таким чином, згин ВС можна використовувати у якості оптичного фільтра.

Розрахунок втрат на згині оптичного світловоду Методи розрахунку втрат на згині оптичного світловоду були розглянуті в окремій роботі. У роботі було запропоноване використання методу Монте-Карло для визначення рівня втрат в інтегрально-оптичних пристроях та наведено приклад розрахунку втрат на вигині оптичного хвилеводу.

В роботі припускалось, що поперечні розміри світловодних елементів d відповідають співвідношенню:

d>>, (4.5).

де — робоча довжина хвилі, При цьому доцільно використовувати методи геометричної оптики. А сам сигнал на вході оптичного елементу можна представити у вигляді групи чи потоку фотонів.

Оптичний елемент (оптичний світловод) описується шляхом завдання його геометричних границь і показників заломлення матеріалів елементу і навколишнього середовища. Кут і координати входу кожного світлового кванта визначаються випадковим образом у межах числової апертури направляючої системи на вході елементу і відповідно до закону розподілу світлового пучка. З урахуванням цих параметрів розраховується траєкторія прямування кванта в межах оптичного елементу аж до перетинання із границею елементу.

Оскільки розміри інтегрально-оптичних пристроїв порівняно невеликі, основний внесок вносять втрати, що виникають за рахунок виходу фотонів за межі оптичних елементів при невиконанні умов повного внутрішнього відбиття. У цьому випадку виконується розрахунок відбивної здатності на границі розділу з наступним визначенням імовірності відбиття чи проходження світлового кванта через границю розділу оптичних середовищ. Остаточний результат (відбиття чи проходження) визначається за допомогою генератора випадкових чисел і з урахуванням імовірності відбиття/проходження. При виконанні умов повного внутрішнього відбиття, а також при частковому відбитті, будується наступна траєкторія руху фотона від точки відбиття до перетинання з границею розділу оптичних елементів. У наступній точці перетинання алгоритм розрахунку повторюється. Такий процес продовжується до досягнення світловим квантом виходу оптичного елементу.

Величина втрат оптичного елементу визначається відповідно до співвідношення:

(4.6).

де NIN — число квантів на вході оптичного елементу, а NT — число квантів, що досягли його виходу.

Рисунок 4.2 — Фрагмент двовимірного оптичного хвилеводу.

В існуючих роботах був проведений розрахунок втрат на вигині двовимірного оптичного хвилеводу (рис. 4.2). Форма ділянки вигину була обрана у вигляді кола. При цьому, розмір сектора, у межах якого розглядалась ділянка кола, становив /2 радіан.

Розміри зовнішнього R2 і внутрішнього R1 радіусів нормовані стосовно поперечного розміру хвилеводу, що прийнятий рівним одиниці. Величина показника заломлення хвилеводу позначалась як n1, а навколишнього середовища — як n2. При цьому виконувалося співвідношення:

n1>n2 (4.7).

Як співвідношення, що описує границі оптичного хвилеводу, були обрані рівняння окружності:

y2+x2=R2 (4.8).

У якості вхідної і вихідної ділянок були обрані прямі відрізки хвилеводів, що володіють тими ж параметрами, що і досліджуваний хвилевід.

При визначенні параметрів вхідного кванта двічі використовується генератор випадкових чисел. Один раз — для визначення кута введення фотона (у межах числової апертури). А другий — для визначення координати введення фотона (у межах поперечного перерізу). Ці два параметри визначають траєкторію руху кванта (рівняння прямої лінії) до перетинання з границею хвилеводу. При перетинанні з границею визначається виконання умови повного внутрішнього відбиття. Якщо воно не виконується, розраховується імовірність відбиття, а також, за допомогою генератора випадкових чисел, наявність чи відсутність відбиття в конкретному випадку. При наявності відбиття з урахуванням його законів будується нова траєкторія руху кванта (визначається нове рівняння прямої лінії).

У наступних точках перетинання з границею оптичного хвилеводу алгоритм розрахунку повторюється до повного проходження фотоном розглянутої ділянки вигину, або ж до виходу фотона за межі оптичного хвилеводу внаслідок невиконання закону повного внутрішнього відбиття.

При розрахунку коефіцієнта відбиття передбачалося, що квант має нормальну поляризацію стосовно площини падіння. Крім того, передбачалося, що фотони рухаються в площині паралельній широкій стінці хвилеводу. Таким чином, вирішувалася двовимірна задача. З урахуванням співвідношення між числом квантів, що пройшли вигин хвилеводу, і загальною кількістю квантів було розраховане значення втрат на згині. При цьому величина загасання була приведена до значення кута сектора, у межах якого провадилися розрахунки. Представлення результатів розрахунку в такому вигляді дозволяє при відомому радіусі і куті вигину просто визначити величину загасання.

На рис. 4.3 представлені результати розрахунку залежності загасання на вигині оптичного хвилеводу від радіуса вигину для різних значень різниці показників заломлення n1 і n2:

n=n1-n2.

При цьому значення n1 передбачалося постійним і рівним n1=1,46.

Рисунок 4.3 — Залежність загасання на вигині оптичного хвилеводу від його радіуса для різних значень різниці показників заломлення n.

Як видно з графіків, з зростом радіуса вигину загасання зменшується. Крім того, рівень втрат сильно залежить від різниці показників заломлення. При зменшенні різниці його величина різко зростає.

Як випливає з результатів розрахунку, запропонований метод дозволяє провести розрахунок втрат на вигині оптичних хвилеводів.

Розрахунок оптичних фільтрів, що використовують вигини ВС.

Конструкції, що використовуються в пристроях інтегральної оптики для фільтрації сигналів, базуються, в основному, на резонансних елементах та періодичних структурах. Технологія формування таких елементів в межах достатньо жорстких допусків є досить непростою задачею. В зв’язку з цим представляє інтерес створення типів фільтрів, що містять вказаних елементів.

В якості одного з напрямків може бути запропоноване використання залежності умов розповсюдження променя у світловоді від довжини хвилі та радіусу його згину. Так, застосування в якості напрямних систем світловодів обумовлене виконання умов повного внутрішнього відбиття. Однією з умов є перевищення критичного значення кута падіння. При цьому критичний кут визначається з виразу:

(4.9).

де n1 та n2 показники заломлення серцевини та оболонки (зовнішнього середовища) світловоду відповідно.

При порушенні даної умови промені з серцевини переходять в оболонку. В цьому випадку мають місце на розсіяння в оболонці, і рівень сигналу на виході світловоду зменшується.

Порушення умов повного внутрішнього відбиття для окремих променів можливе при зміні довжини хвилі оптичного сигналу. Пояснюється це залежністю показників заломлення серцевини та оболонки (зовнішнього середовища) від довжини хвилі. Внаслідок чого зміна довжини хвилі оптичного сигналу призводить до зміни С. В свою чергу, збільшення С на деякій дільниці призводить до розсіяння частини світлових квантів у за межами серцевини, і появі, таким чином, додаткових втрат. Загасання світловоду в цьому випадку зростає, і степінь зростання буде визначатись зміною С.

Таким чином, коефіцієнт передачі світловода за рахунок зміни С стає залежним від довжини хвилі, і він набуває фільтруючих властивостей.

Другим фактором, що визначає наявність розсіяння в оболонку, є вигини світловоду (оптичного волокна). На вигинах порушуються умови повного внутрішнього відбиття для променів, для яких кут падіння не перевищує С. При цьому такі промені розсіюються в оболонці. В зв’язку з цим представляє інтерес використання вигинів світловоду для вирішення завдань фільтрації оптичних сигналів.

В роботі було проведене дослідження передаточних характеристик ділянок планарного оптичного хвилеводу, що містять вигин.

Дослідження проводилось в діапазоні довжин хвиль 0,8−1,6 мкм. При цьому залежність показника заломлення світловоду та навколишнього середовища від довжини хвилі описувалась формулою Селмейера (4.3).

Для визначення передаточних характеристик використовувавсь метод розрахунку втрат на вигинах світловодів, запропонований в відомих роботах.

Розрахунки проводились для світловодів, виконаних з різних складів оптичного скла. аттенюатор хвилевод вигин оптичний.

Іншим параметром, що варіювавсь в ході розрахунків, був радіус вигину світловоду. Крім матеріалу оптичного хвилеводу з показником заломлення n1 в розрахунках враховувавсь показник заломлення матеріалу навколишнього середовища (оболонки) з показником заломлення n2.

Як випливає з результатів розрахунків, наведених нижче, при зміні довжини хвилі має місце зміна коефіцієнту передачі ділянки оптичного хвилеводу, яка містить вигин. Характер залежності визначається складом скла та радіусом вигину. Так, на рис. 4.4 представлені передаточні характеристики для різних складів скла при фіксованому радіусі вигину R=10. Радіус вигину був нормований по відношенню до ширини хвилеводу.

Як видно з графіків, характер залежності достатньо монотонний, а знак нахилу визначається складом скла (в таблиці 1 наведено відповідність номерів світловодів складам стекол їх серцевини та оболонки). При цьому для світловоду № 1 втрати з ростом довжини хвилі збільшуються, а для світловодів № 2 та № 3 втрати з ростом довжини хвилі зменшуються. Наявність характерної точки «зламу» та зміни нахилу кривих для графіків 2 та 3 свідчить про зміну ходу кривих, що визначають залежність показників заломлення n1 та n2 від довжини хвилі.

Рисунок 4.4 — Передаточні характеристики для різних складів стекол.

при фіксованому радіусі вигину R=10.

Таблиця 4.1 — Склади стекол серцевини та оболонки світловодів.

На рис. 4.5 представлені передаточні характеристики для попередніх складів скла при радіусі вигину R=100. З наведених даних видно, що характер залежностей загасання від довжини хвилі при різних радіусах R залишається таким же. Але можна помітити, що зі збільшенням радіусу R різниця між максимальним та мінімальним значенням загасання зменшується. Крім того, значно зменшується початкова постійна складова загасання.

При необхідності перепад загасання в певному діапазоні довжин хвиль може бути збільшений за рахунок нарощування кількості згинів оптичного волокна. Приклад такої конструкції зображено на рис. 4.6.

Рисунок 4.5 — Передаточні характеристики для різних складів стекол.

при фіксованому радіусі згину R=100.

Рисунок 4.6 — Конструкція оптичного хвилеводу, що використовується для фільтрації.

Для компенсації постійної складової загасання можливо, при необхідності, застосувати хвиле водно оптичні підсилювачі на склі з домішками іонів ербію. При цьому, іонами ербію може також бути легований матеріал оптичного хвилеводу-фільтру (рис. 4.6). Фільтр в такому випадку стає активним.

На рис. 4.7−4.9 зображено передаточні характеристики фільтрів, що мають склад скла № 1, № 2, та № 3 відповідно при різних радіусах вигину.

Рисунок 4.7 — Передаточні характеристики фільтра зі складом скла № 1.

при різних значеннях радіусу вигину.

Рисунок 4.8 — Передаточні характеристики фільтра зі складом скла № 2.

при різних значеннях радіусу вигину.

Рисунок 4.9 — Передаточні характеристики фільтра зі складом скла № 3.

при різних значеннях радіусу вигину З наведених графіків випливає, що, змінюючи радіус вигину, а також матеріали (склад скла) серцевини та оболонки оптичного хвилеводу, можна варіювати характеристики фільтрів з метою досягнення потрібних параметрів.

Враховуючи плавний хід передаточної характеристики такого фільтра, його можна використовувати для корекції групового сигналу систем зі спектральним розділенням каналів, а саме — для вирівнювання потужностей спектральних каналів, яка може змінити своє значення через нелінійну взаємодію. Конструктивно фільтр може бути виконаний як на відрізку оптичного волокна, так і в інтегральному вигляді.

Волоконно-оптичний атенюатор з використанням вигину волоконного світловоду.

Конструкція оптичного атенюатора, що використовує вигини волоконних світловодів.

В сучасних системах волоконно-оптичного зв’язку застосовується цілий ряд різних типових конструкцій оптичних атенюаторів.

Розглянемо, наприклад, волоконно-оптичний атенюатор відбиваючого типу. Це пристрій з досить складною структурою (що включає в себе певну кількість складових елементів). Для його підключення в лінію передачі виникає необхідність забезпечити розрив волокна оптичного кабелю, що викликає цілком визначені технологічні та експлуатаційні незручності, виконання розриву волокна являє собою непросту технічну задачу, а в подальшому наявність зварного з'єднання в місці розриву вносить додаткове загасання). До того ж, внаслідок френелівського відбиття від торців ВС та елементів конструкції такий атенюатор має відносно великі початкові та значні зворотні втрати. В результаті звужується його динамічний діапазон та обмежується область застосування. Подібні недоліки характерні також для інших конструкцій.

З урахуванням наведеного вище був розроблений волоконно-оптичний атенюатор, що регулюється, з практично нульовими початковими та зворотними втратами. Наведений пристрій може застосовуватись в будь-якій точці волоконно-оптичної лінії зв’язку без виконання розриву ВС (що має велике значення з точки зору як технологічних, так і експлуатаційних вимог).

Ця технічна задача вирішена наступним чином (рис. 4.10). В конструкцію атенюатора, що містить корпус з розташованим в ньому відрізком ВС, додатково введено основу 1 з профільованою поверхнею, на якій зафіксовано два затискачі 4 для ВС (положення одного з них зафіксовано, а другий зв’язаний з основою за допомогою пружини 3). До основи прикріплено кришку 2 з вертикальними каналами, де розміщені підпружинені рухомі штифти 6, нижня та верхня частина яких являє собою заокруглену поверхню радіусу відповідно R1 R2. В кришці виконано також горизонтальний канал (куди входять верхні частини штифтів), що задає початкове положення штифтів.

Крім того, в вертикальних каналах розміщені пружини 5, що фіксують штифти в початковому положенні, при якому верхня частина штифта спирається на верхню стінку горизонтального каналу. В цьому каналі розташовано поршень 7 з фігурною торцевою поверхнею, що переміщується за допомогою мікрометричного гвинта 8, положенням якого однозначно.

Рисунок 4.10 — Конструкція волоконно-оптичного атенюатора.

визначається положення поршня та, відповідно, положення штифтів в каналах.

Останнє, в свою чергу, визначає форму відрізку оптичного волокна 10, що знаходиться між профільованою поверхнею основи 1 та кришкою 2 з встановленими штифтами 6. При цьому штифти розміщені таким чином, що заокруглена поверхня нижньої частини кожного з них розташована напроти ввігнутої частини профільної поверхні основи 1.

Принцип дії волоконно-оптичного аттенюатора Пристрій працює наступним чином. В початковому положенні оптичне волокно 10 зафіксоване затискачами 4 та знаходиться (під дією пружини 3) в спрямленому стані. Штифти 6 при цьому не торкаються своєю нижньою частиною поверхні волокна 10, а поршень 7 займає положення, що не допускає контакту з верхньою частиною штифтів. В такому стані внесене загасання мінімальне (практично дорівнює нулю).

Для збільшення загасання необхідно за допомогою мікрометричного гвинта 8 підвести поршень 7 до приведення його в контакт з верхньою частиною штифта 6, так, щоб під впливом його торцевої поверхні штифт почав переміщуватись в нижнє положення. При цьому нижня частина штифта, вступаючи в контакт з оптичним волокном 10, формує в ньому вигин, дуга якого збільшується з переміщенням поршня 7 та, відповідно, штифта. Внесені втрати також збільшуються, досягаючи максимуму при виході верхньої частини штифта 6 з горизонтального каналу під дією поршня 7. Розміри складових частин пристрою підібрані так, щоб на волокно10 в цей момент не діяли зусилля стискування. Розміри поршня визначаються з умови, щоб його довжина (без торцевої частини) перевищувала довжину ділянки горизонтального каналу з розміщеними в ньому штифтами 6. Внаслідок цього при подальшому переміщенні поршня не тільки зберігається максимальне загасання, що забезпечується першим із штифтів 6 в нижньому положенні, але до нього також додається додаткове за рахунок переміщення другого, а потім і третього штифта. Враховуючи, що всі штифти 6 однакові, отримуємо квазілінійну залежність внесеного загасання б від переміщення поршня 7, зображену на рис. 4.11, де х — положення поршня; Дх — переміщення поршня, при якому штифт переходить в крайнє нижнє положення.

Рисунок 4.11- Розрахункова залежність внесеного загасання від переміщення поршня.

Для лінеаризації ходу кривої загасання між екстремальними положеннями штифтів 6 відповідним чином підбирається профіль поверхні торця поршня 7. За рахунок вибору кількості штифтів 6 (а тим самим і періодів профільованої поверхні основи 1) можна досягти практично будь яких потрібних рівнів загасання при нульових початкових втратах.

Згідно до цього принципу може бути виготовлений атенюатор на фіксоване значення загасання, для чого використовують стопорний гвинт 9, за допомогою якого фіксується положення мікрометричного гвинта 8 (та відповідно і поршня 7). Таким чином забезпечується фіксоване, наперед задане, значення загасання в лінії після закінчення регулювальних робіт з використанням волоконно-оптичного атенюатора.

Таким чином, запропоноване технічне рішення дозволяє керувати інтенсивністю світлового потоку в лінії при практично нульових початкових та зворотних втратах.

Застосування атенюатора описаної конструкції забезпечує значне спрощення технологічних процесів при побудові систем зв’язку з використанням оптичного кабелю: виключається необхідність в розривах волокна кабелю при підключенні пристрою, завдяки чому відпадає також необхідність з'єднання ВС після проведення робіт (а значить, в лінію не вноситься додаткове загасання за рахунок зварного з'єднання після видалення атенюатора).Досягнутий ефект можна пояснити наступним чином. За допомогою використаної в атенюаторі системи штифтів та профільованої основи формуються періодичні вигини в оптичному волокні лінії зв’язку. На вигині ВС для світлового пучка порушується закон повного внутрішнього відбиття, і частина світлових квантів виходить за межі волокна. Таким чином, на даній ділянці з’являється додаткове (внесене) загасання, рівень якого (залежить від дуги вигину) регулюється зміною положення штифтів, яка призводить до зміни кутового значення ц дуги вигину оптичного волокна (ОВ) при постійному радіусі вигину (рис. 4.12).

Рисунок 4.12 — Принцип дії волоконно-оптичного атенюатора.

В початковому положенні, коли ВС знаходиться в спрямленому стані, внесене загасання (початкові втрати) дорівнює нулю. В режимі ненульового внесеного загасання зворотні втрати практично дорівнюють нулю, оскільки в оптичному волокні відсутні неоднорідності, що обумовлюють їх появу. При цьому немає необхідності виконувати розрив ВС в лінії для підключення атенюатора, як це вимагалось в конструкціях.

Як видно з характеристик внесених втрат (4.13) експериментального зразка атенюатора, виміряних при двох значеннях довжини хвилі, рівень внесених втрат при нульовому початковому загасанні досягає 70 дБ (подальший його ріст не вимірювавсь внаслідок обмежених можливостей апаратури, що використовувалась). З ростом довжини хвилі л збільшується крутизна залежності б (Дх), що сприяє прискоренню процесу регулювання загасання для більших значень довжини хвилі при незмінних конструкторсько-технологічних параметрах атенюатора.

Рисунок 4.13 — Експериментальна залежність внесених втрат від переміщення поршня при л = 1,55 мкм (1) та л = 1,3 мкм (2).