4.7. Волоконно-оптические переключатели

Волоконно-оптические Г переключатели предназначены для перераспределения оптической мощности между волоконными световодами под действием электрических сигналов или механического воздействия. К переключателям для световодных измерительных систем предъявляются следующие требования: низкий уровень оптических потерь и перекрестных помех, слабая зависимость этих параметров от паразитных воздействий, низкий уровень потребляемой мощности, а также надежность и технологичность.

Все волоконно-оптические переключатели можно разделить на две группы: механические, в которых перераспределение оптической энергии происходит в результате движения волоконных световодов, зеркал, призм, жидкостей и других элементов; оптические, в которых изменение направления оптического луча происходит в результате изменения оптических параметров неподвижной среды распространения излучения.

Наиболее широкое применение нашли механические переключатели, в которых осуществляется движение волоконного световода [131, 142, 165, 276, 358, 382]. Совмещение подвижного и неподвижного волоконных световодов осуществляется либо по базовой поверхности -образной канавки (рис. 4.37). либо за счет точного позиционирования подвижных узлов, содержащих световоды, относительно неподвижных. При совмещении в -образной канавке необходимо обеспечить центрирование световода в иако.

нечнике с такой же точностью, как и в случае оптического соединителя. При применении движущихся узлов обеспечить точность позиционирования на уровне нескольких микрометров сложно, поэтому в таких переключателях, как правило, применяют коллимирующие элементы. Перемещение наконечников (или узлов) осуществляют вручную с помощью электродвигателей, электромагнитных реле и пьезоэлементов. Широко применяются переключатели с герметичным корпусом, в которых наконечник движущегося волокна, изготовленный из магнитного материала, перемещается под действием управляющею магнитного поля.

Рис. 4 37. Механический оптический переключатель с движущимся волоконным световодом: 1 — корпус; 2 — подвижный волоконный световод; 3 — наконечники, армирующие волоконные световоды, 4 — магнитная система; 5 — неподвижные волоконные световоды

Переключатели этого типа достаточно технологичны, они обеспечивают как для одномодовых, так и для многомодовых волокон низкий уровень оптических потерь (0,3-1,5 дБ) и перекрестных помех (менее —60 дБ, а возможно и -120 дБ), малую потребляемую мощность (2-20 мВт). Их недостатками являются ограниченное быстродействие (2-50 мс) и чувствительность параметров к внешним воздействиям [39, 205]. Естественно, что переключатели с применением микролинз менее чувствительны к вибрации, тепловым воздействиям и т. д.

Переключатели на основе движущихся зеркал, призм [290] всегда требуют использования коллимирующих элементов (рис. 4.38). Они имеют параметры, аналогичные параметрам механических переключателей на основе движущихся волоконных световодов, и аналогичные достоинства и недостатки. В настоящее время они используются только для многомодовых световодов.

Разработаны также переключатели с использованием жидкостей в качестве перемещаемого оптического элемента. Переключатель на основе движущегося в электролите зеркала из ртути (рис. 4.39) имеет очень малую управляющую мощность (~25 мкВт),

выдерживает до 107 переключений без деградации, но оптические потери в нем выше (0,5-2 дБ), чем у механических, и довольно значительтельны перекрестные помехи (-22 ... -51 дБ).

Исследовалась также возможность создания переключателей с зазором между торцами волоконных световодов, заполненным жидкостью [64]. При заполнении зазора жидкостью с показателем преломления, равным показателю преломления сердцевины, условие полного внутреннего отражения от скошенных торцов нарушается и излучение поступает в выходной световод. Однако такие устройства вряд ли найдут широкое применение, так как они не имеют преимуществ по быстродействию и характеризуются худшими значениями перекрестных помех.

Рис. 4.38. Механический оптический переключатель с движущимся зеркалом: 1 — корпус с линзовыми разъемными соединителями. 2 — вращающееся зеркало

Рис. 4.39. Оптический переключатель с движущимся в электролите зеркалом: 1 — волоконный световод; 2 — градиентные линзы; 3 — ртутное зеркало в электролите

Недостатком всех механических переключателей является наличие движущихся элементов, что принципиально снижает их надежность и делает чувствительными к внешним воздействиям.

Разработаны оптические переключатели, изменяющие направление светового луча в результате изменения параметров среды распространения (коэффициентов отражения и пропускания), на жидких кристаллах, основанные на электро-, акусто- и магнитооптическом эффектах. Физические принципы функционирования таких устройств в основном те же, что у модуляторов (см. п. 4.3) или датчиков физических полей (см. гл. 3).

Действие переключателей на жидких кристаллах [227, 350] основано на переориентации молекул в жидких кристаллах под действием электрического поля, в результате чего изменяются условия прохождения и отражения лучей с различной поляризацией. Нематические жидкие кристаллы имеют довольно большие значения коэффициента затухания поэтому до появления конструкций, в которых используется тонкая пленка кристалла (25 мкм), не удавалось создать переключатели с малыми оптическими потерями. В настоящее время у переключателей этого

типа оптические потери составляют всего 1—2 дБ, малые управляющие поля (потребляемая мощность мкА), обеспечено удовлетворительное быстродействие (5- 50 мс), но перекрестные помехи значительны (-10 ...-20 дБ), что существенно ограничивает область их применения. Достоинством переключателей на жидких кристаллах является возможность соединения их с волоконными световодами с помощью коллимирующих элементов. Современный уровень технологии изготовления всех компонентов позволяет достаточно просто изготовлять переключатели для многомодовых световодов, но для одномодовых световодов требуется чрезвычайно высокая точность изготовления призм и сборки элементов, что создает значительные трудности.

Рис. 4.40. Элелтрооптческий переключатель: 1 — электрооптические элементы, 2 — двулучепреломляющие пластины

Электрооптические переключатели, основанные на отклонении луча в результате изменения показателя преломления в монокристаллах под действием электрического поля, разрабатываются для многомодоьых и одномодовых волоконных световодов (рис. 4.40).

При создании переключателей для многомодовых волокон серьезной проблемой является снижение оптических потерь при согласовании с многомодовыми волоконными световодами и одновременно напряжений управляющих сигналов. Для эффективного согласования необходимо, чтобы толщина пластины электрооптического материала примерно равнялась диаметру сердцевины волоконного световода (50—80 мкм). Электроды специальной формы создают в пластине индуцированные электрическим полем области в виде призм [198] или полосковых световодов [48, 186], определяющие направление распространения оптического луча. Для пластины толщиной 50—80 мкм необходимы управляющие напряжения 400—700 В. Переключатели этого типа имеют высокие скорости переключения но наряду с высокими управляющими напряжениями значительны перекрестные помехи (10 дБ) и оптические потери (10—30 дБ), что делает возможность применения их в световодных системах сомнительной.

Одномодовые электрооптические переключатели разрабатываются на основе планарных и полосковых световодов. В переключателях

на планарном световоде ввод и вывод излучения осуществляется с помощью коллимирующих, фокусирующих элементов в сочетании с призмами, элементами периодического типа и т. д. Электроды, нанесенные на поверхность планарного световода, составляют встречно-штыревой преобразователь. Под действием приложенного напряжения возникают чередующиеся области со значениями показателя преломления [166], в результате чего и происходит отклонение распространяющегося луча. Переключатели на планарных светозодах обеспечивают высокие скорости переключения , в них применяются низкие управляющие напряжения (5—10 В), но высок уровень перекрестной помехи . Оптические потери в электрооптическом планарном световоде могут быть снижены , однако обеспечить эффективное согласование одномодового планарного световода с волокном не удается Кроме того, требуется изготовление мнкрооптических элементов, призм, линз с чрезвычайно высокой точностью, что создает большие сложности при сборке.

Действие одномодовых электрооптических переключателей на полосковых световодах основывается на линейном волноводном переключении [354—356]: оптическая энергия, введенная в полосковый световод, периодически перекачивается в близко расположенный световод и обратно (см. п. 3.2). Изменяя эффективный показатель преломления волноводов (и тем самым характер связи с помощью электрических сигналов), можно обеспечить концентрацию оптической энергии на выходе того или иного световода. Проблемой при разработке переключателей данного типа является снижение перекрестной помехи в связи с поляризационным эффектом. В одномодовом полосковом световоде могут распространяться и -моды, параметры связи для которых различны, а значит обеспечить условия для полного преобразования энергии одновременно для обеих мод сложно. Можно уменьшить влияние поляризационного эффекта на перекрестную помеху за счет оптимизации топологии световодов, конструкции электродов, кристаллографической ориентации подложки. Разработаны поляризационно-нечувствительные электрооптические переключатели для длин волн 0,63 [95], 0,83 [315] и 1,3 мкм [265], но в них все-таки перекрестная помеха составляет дБ.

Электрооптические переключатели на одномодовых полосковых световодах имеют оптические потери, включая потери на соединение с волоконными световодами, порядка 2—3 дБ, скорость переключения до управляющие напряжения 4—10 В. Для волоконно-оптических систем связи, например при использовании его в качестве модуляторов оптических сигналов, это один из самых перспективных типов переключателей, однако высокий уровень перекрестной помехи является препятствием для применения их в оптических коммутаторах световодных измерительных систем. Однако в ряде систем на основе одномодовых волоконных

световодов, сохраняющих состояние поляризации, такие переключатели возможно найдут применение.

Действие акустооптнческих переключателей [297] основано на дифракции света на акустических волнах [80]. В настоящее время исследуются пути создания переключателей на объемных элементах и планарных световодах (рис. 4.41). При использовании акустооптнческих переключателей на объемных элементах ввод и вывод излучения осуществляется с помощью коллимирующих и фокусирующих элементов, что делает возможным снижение оптических потерь до 2 дБ для многомодовых волокон.

Рис. 4 41. Акустооптический переключатель: 1 — подложка из акустооптического материала с планарным световодом; 2 — электроды

Рис. 4.42. Магнитооптический переключатель на объемных элементах: 1 — волоконные световоды; 2 — микролинзы; 3 — поляризатор. 4 — электромагнитная система; 5 — магннтооптический элемент; 6 — анализатор

Для одномодовых волокон проблема согласования, как и в рассмотренных выше случаях, требует очень высокой точности изготовления элементов. Переключатели этого типа имеют быстродействие порядка , но уровень перекрестной помехи высок (10—20) дБ, что сужает область их применения.

Акустооптнческие переключатели на планарных световодах могут использоваться только в одномодовых системах. Планарный световод изготовляют из фотоупругого материала, например Акустические волны возбуждают с помощью встречно-штыревого преобразователя, который образован электродами, нанесенными на поверхность волновода. Ввод в одномодовый волоконный световод и вывод излучения требуют применения коллимирующих и фокусирующих элементов и призм, элементов периодического типа и т. д. Так же как и в планарных одпомодовых электрооптических переключателях, проблема эффективного согласования не решена.

В магнитооптических переключателях на основе эффекта Фарадея [338, 339] используется поворот плоскости поляризации в пластине из магнитооптического материала, например в железо-иттриевом гранате (рис. 4.42). Направление вектора намагниченности в пластине и соответственно направление вращения плоскости поляризации изменяются внешним магнитным полем, создаваемым катушкой с сердечником из магнитожесткого

материала. В зависимости от поляризации излучение в призме распространяется в одном из двух направлений, соответствующих обыкновенному или необыкновенному лучу. Для такого переключателя требуется коллимированный свет, поэтому ввод излучения в волоконные световоды и вывод осуществляется через микролинзы.

Разработаны магнитоонтич окне переключатели на объемных элементах для многомодовых и одномодовых волоконных световодов. Они характеризуются достаточно высокой скоростью переключения (десятки микросекунд), умеренными оптическими потерями (несколько децибел), перекрестная помеха составляет дБ, довольно высок уровень потребляемой мощности (для переключения требуются импульсы , Снизить значение параметров управляющих полей на два порядка удается за счет преобразования ТЕ- и ТМ-мод в планарных магнитооптических световодах, но такие световоды могут применяться только для одномодовых волокон имеют большие оптические потери.

Таким образом, волоконно-оптические переключатели можно разбить на две большие группы. Механические переключатели для одномодовых и многомодовых ВС, характеризующиеся низким уровнем оптических потерь дБ), перекрестной помехи (-60 ... 120 дБ), приемлемой потребляемой мощности (несколько мегаватт). Недостаточно высокое быстродействие — основной недостаток таких переключателей, хотя на практике в большинстве случаев такие скорости переключения достаточны. В принципе механическое совмещение волоконных световодов делает переключатели этого типа чувствительными к внешним воздействиям (например, модуляция оптического сигнала происходит под действием вибраций), однако использование микролинз в соединениях позволяет значительно снизить влияние внешних полей на оптические параметры. С точки зрения технологии изготовления это самый простой тип переключателей, процесс их изготовления аналогичен процессу изготовления оптических соединителей.

В системах коммутации каналов этот тип переключателей является основным и, видимо, такое положение сохранится еще долгое время.

В системах, где не играет особой роли уровень перекрестной помехи, может оказаться более целесообразным применение переключателей на жидких кристаллах, так как они не имеют движущихся частей и потенциально более надежны. Технология изготовления переключателей на жидких кристаллах немногим сложнее технологии изготовления механических переключателей, хотя и содержит несколько дополнительных процессов (напыление прозрачных электродов, нанесение пленки жидкого кристалла на поверхность призм и т. д).

Обеспечить высокое быстродействие позволяют только оптические переключатели на основе акусто-, злектро-

или магнитооптического эффектов, но у всех них уровень перекрестной помехи не ниже —30 дБ. Акусто- и магнитооптические переключатели на объемных элементах для многомодовых и одномодовых систем обеспечивают скорость переключения и имеют приемлемый уровень оптических потерь (2—3 дБ). Акустооптические переключатели поляризационно нечувствительны, имеют меньший уровень потребляемой мощности, но перекрестная помеха выше, чем у магнитооптических. Поляризационная чувствительность магнитооптических переключателей не играет большой роли в системах на одномодовых, сохраняющих состояние поляризации волоконных световодах. Технология изготовления переключателей на объемных элементах не намного сложнее технологии изготовления механических переключателей, исключая изготовление монокристаллических материалов. Переключатели на объемных элементах пока единственные обеспечивают скорость переключения с для многомодовых систем при достаточно низком уровне оптических потерь.

Все оптические переключатели на планарных световодах отличаются высоким быстродействием , малым уровнем потребляемой мощности, но они могут быть использованы лишь в случае применения на входе одномодового волокна, а на выходе многомодового. Применение в многомодовых системах принципиально невозможно, а для одномодовых не решена проблема эффективного согласования с входными и выходными волокнами. Технология изготовления этого типа переключателей сложна: требуется не только изготовить механические детали и микро-оптические элементы с чрезвычайно высокой степенью точности, но и получить планарные элементы с микронными размерами.

Для систем на одномодовых волоконных световодах наиболее целесообразно на сегодня применение электронно-оптических переключателей на полосковых световодах, обеспечивающих быстродействие свыше , и низкий уровень оптических потерь, включая потери на согласование с входными и выходными волокнами, 3 дБ. Технология изготовления этого типа оптических переключателей наиболее сложна из-за применения прецизионных деталей и микрооптических элементов, необходимости точного позиционирования, прецизионной фотолитографии, лазерной или электронной литографии.