Устройства спектрального объединения и деления (мультиплексоры и демультиплексоры).

Оптические мультиплексоры и демультиплексоры предназначены для объединения или разделения оптических сигналов, передаваемых на нескольких длинах волн В световодных системах они должны быть согласованы с входными и выходными волоконными световодами

Устройства спектрального объединения и деления характеризуются числом оптических каналов, оптическими потерями в каждом канале, перекрестной помехой, шириной спектра пропускания и спектральным разделением несущих, а также стабильностью параметров, надежностью и технологичностью Оптические потери в каждом канале и перекрестная помеха определяются соответственно следующими выражениями

где

Основными функциональными элементами мультиплексоров и демультиплексоров являются спектрально-селективные (дисперсионные) элементы, в качестве которых применяются призмы, дифракционные решетки или интерференционные фильтры Устройства на призмах и дифракционных решетках обеспечивают параллельное разделение несущих, поэтому оптические потерн не возрастают резко с увеличением числа оптических каналов. Устройства на интерференционных фильтрах обеспечивают последовательное выделение несущих, и с увеличением их числа возрастают оптические потери Тем не менее при числе каналов, меньшем четырех, устройства на интерференционных фильтрах на сегодня обеспечивают наименьшие оптические потери

Мультиплексоры и демультиплексоры на интерференционных фильтрах реализованы непосредственно на волоконных световодах и с применением микрооптических элементов [281, 314] При использовании волоконной технологии многослойные интерференционные покрытия наносят на скошенный торец волоконного световода (рис 4 46, а) Устройства этого типа на многомодовых волоконных световодах имеют достаточно низкие оптические потери (1—2 дБ) Снижение оптических потерь из-за расходимости излучения достигается за счет применения линз на торцах волокон Потери в результате отражений могут быть снижены при

использовании оптического клея в зазоре между волоконными световодами Устройства имеют уровень перекрестной помехи дБ в прямом канале и дБ в канале, образованном отраженным оптическим сигналом Последняя может быть также уменьшена до 20 дБ при нанесении дополнительного фильтра на торец волоконного световода, на который падает отраженное излучение Однако при спектральном уплотнении несущих из различных оптических диапазонов этого не требуется, таккак дополнительная развязка между каналами обеспечивается спектрально-селективными свойствами фотодетекторов

Рис. 4.46 Устройства спектрального объединения — деления на основе интерференционных фильтров а — на скошенном торце волоконного световода, б — с использованием сферических лннз, в — с применением градиентных стержневых линз, г — с использованием трехмерных интегральных линз

Расположение фильтров под углом к расходящемуся лучу ограничивает разнесение несущих (~50 нм), поэтому не удастся обеспечить эффективного объединения (разделения) более двух несущих внутри одного оптического диапазона Устройства данного типа обладают спектральной широкополосностью (100—300 нм), что позволяет применять источники излучения без специальных мер по стабилизации длины волны излучения

При использовании микрооптических коллимирующих и фокусирующих элементов разработаны мультиплексоры и демультиплексоры с расположением фильтров перпендикулярно к коллимированному лучу и под углом 45° [314, 372, 390] Конструктивно и технологически эти устройства (рис 4 46, б) аналогичны микрооптическнм ответвителям Устройства, в которых фильтр располагается под углом 45° к падающему лучу, имеют параметры, близкие к параметрам волоконных устройств Их основными достоинствами являются простота конструкции и технологичность, а также малые оптические потери

В устройствах, в которых интерференционные фильтры располагаются перпендикулярно к коллимированному лучу, ширина спектра пропускания может быть уменьшена до нескольких нанометров, что позволяет реализовать объединение — разделение до 10 несущих в одном из диапазонов мкм (рис. 4.46, в). Однако нецелесообразно делать ширину спектра пропускания меньше 15 нм и уплотнять с помощью устройств на основе фильтров более четырех несущих. Как уже отмечалось, в связи с последовательным выделением несущих прн числе каналов более четырех, оптические потери значительны. Кроме того, обеспечение даже четырех несущих в одном диапазоне уже требует обязательного применения лазеров и стабилизации длины волны излучения, например с помощью термохолодильников, что приводит к дополнительным энергетическим затратам.

Рис. 4.47. Спектральное деление на основе дифракционных решеток

Перспективными являются устройства, в которых в качестве коллимирующих элементов используются трехмерные интегральные линзы (рис. 4.46, г). В этом случае могут быть значительно уменьшены габаритные размеры, упрощена конструкция и применена групповая технология изготовления.

В устройствах спектрального деления на основе дифракционных решеток (рис. 4.47) обязательно преобразование излучения в коллимированный луч. В качестве коллимирующих элементов применяются высококачественные объективы, градиентные стержневые линзы, волноводные пластины, сферические зеркала и другие элементы. Разработан ряд микрооптических устройств и ведется также разработка планарных устройств.

Устройства с применением высококачественных объективов и плоских дифракционных решеток имеют хорошие оптические параметры. Например, в работе [150] описано устройство для разделения пяти каналов в диапазоне мкм с входными волоконными световодами с диаметром сердцевины 60 мкм и выходными с сердцевиной 130 мкм, оно характеризуется оптическими потерями дБ и перекрестной помехой —30 дБ. Однако конструкции таких устройств не обладают необходимой жесткостью, и их параметры сильно зависят от внешних воздействий.

Хорошие параметры были также достигнуты при использовании вогнутой дифракционной решетки, которая одновременно

служила для фокусировки излучения [384]. В диапазоне 700— 900 нм осуществлялось разделение на десять каналов с потерями 2,5 дБ и уровнем перекрестной помехи 30 дБ (при диаметре сердцевины волокна 60 мкм и оболочки 250 мкм). Дифракционная решетка была нарезана на специальной машине, управляемой ЭВМ, причем для достижения дифракционной эффективности до 68 % штрихи нарезались с переменным периодом и угол блеска был различным в трех участках решетки. Недостатками такого устройства, на наш взгляд, являются сложность изготовления дифракционной решетки и свободное распространение излучения между волоконными световодами и решеткой.

Избежать свободного распространения излучения и тем самым обеспечить жесткость конструкции позволяет применение в качестве коллимирующих элементов градиентных стержневых линз, световодных пластин и световодных стержней с цилиндрическими или сферическими зеркалами. Создано несколько типов устройств с применением этих элементов для различных чисел каналов и оптических диапазонов [225, 268, 383]. Например, в работе [225] описано устройство для разделения 5 каналов в диапазоне 760— 910 нм с использованием градиентных линз с числовой апертурой 0,2 и диаметрами сердцевины входных и выходных волоконных световодов 60 и 100 мкм соответственно, характеризующееся оптическими потерями дБ и перекрестной помехой дБ.

На основе дифракционных решеток создан ряд типов микрооптических устройств спектрального деления, обладающих жесткой конструкцией и обеспечивающих разделение пяти — десяти каналов с оптическими потерями 1—3 дБ и перекрестной помехой дБ. Определенные трудности при эксплуатации таких устройств связаны с зависимостью спектральной полосы от соотношения диаметров сердцевин входных и выходных волоконных световодов. Во всех типах устройств применяются входные световоды с диаметром сердцевины 50 мкм, а выходные с диаметром 100—300 мкм. Эти устройства необратимы, т. е. не могут применяться для спектрального объединения оптических сигналов. В результате этого суммарные оптические потери на объединение десяти каналов и их разделение на сегодня значительны. Необходимость стабилизации длины волны источников излучения в узком спектральном диапазоне также сдерживает применение многоканальных устройств.

Устройства спектрального объединения и деления на основе призм [270] не нашли применения в связи с малой дисперсией призм и трудностью обеспечения жесткой конструкции.

Предложен ряд конструкций устройств спектрального объединения — деления с применением планарных световодов [79, 361]. В некоторых из них [361] планарный световод служит для передачи оптической энергии к дифракционной решетке и коллимирующему элементу (аналогично волноводной пластине). По своим

параметрам такие устройства уступают микрооптическим аналогам. В других типах устройств коллимирующие и дисперсионные элементы изготавливаются непосредственно в волноврдной структуре [167, 168, 360, 389], например в тонких стеклянных халько-генидных пленках, служащих волноводами.

При использовании структуры можно обеспечить интеграцию демультиплексора с фотодетекторами [360]. Данное устройство (рис. 4.48) основано на действии последовательного ряда дифракционных решеток и позволяет разделить излучение с длинами волн 0,63 и 0,83 мкм при перекрестной помехе —15 дБ.

Планарные устройства спектрального объединения — деления, селективные активные мультиплексоры и интегрально-оптические преобразователи начали создаваться относительно недавно [389]. В настоящее время еще не достигнуты значения параметров, необходимые для использования таких устройств в реальных системах, оценить перспективы их развития трудно.

Рис. 4.48. Устройство спектрального деления: 1 — кабельная часть оптического соединителя; 2 — устройство спектрального деления

К настоящему времени достаточно хорошо отработаны устройства спектрального объединения и деления на два — четыре канала на основе интерференционных фильтров, которые применяются в различных системах. Важным достоинством этих устройств является возможность применения их с источниками излечения, обладающими широким спектром излучения.

Для разделения пяти и более оптических несущих наилучшими параметрами обладают устройства на основе дифракционных решеток, ко пока еще не решены проблемы, связанные с их необратимостью и необходимостью стабилизации длин волн источников излучения в узком спектральном диапазоне.

В световодных системах связи со спектральным уплотнением и световодных измерительных системах могут найти применение волоконные фильтры.

Еслоконный фильтр представляет собой отрезок волоконного световода, параметры сердцевины или оболочки которого (комплексная диэлектрическая проницаемость, диаметр) периодически модулированы вдоль оси сгетовода с периодом А (рис. 4.49, а).

Световоды с периодически модулированными параметрами обладают резко выраженными селективными свойствами. Световые волны, частоты которых лежат в узком спектральном диапазоне,

определяемом параметрами волоконного фильтра, испытывают сильное отражение от фильтра, в то время как для излучения с другими частотами фильтр практически прозрачен. Если выполнено условие Брэгга

где — длина волны света в вакууме; — эффективный показатель преломления для некоторой моды волоконного световода, то возможно возникновение сильной связи между этой модой и соответствующей ей модой, распространяющейся в противоположном направлении.

Рис. 4.49. Волоконные фильтры а — с модуляцией диаметра, б и в — с модуляцией диэлектрической проницаемости в оболочке и сердцевине соответственно; г и д - вывод и ввод излучения соответственно

В этом случаг волоконный фильтр является отражательным фильтром для излучения с длиной волны

Волоконные фильтры могут иметь уникальные, не реализуемые для фильтров других типов, параметры. Созданы волоконные фильтры с коэффициентом отражения по интенсивности порядка 0,9 в полосе длин волн шириной менее 0,01 нм [248]. Высокий коэффициент отражения волоконных фильтров позволяет использовать их в качестве зеркал в резонаторе лазера [174]. Возможно использование таких фильтров в качестве датчиков температуры, давления, электрического и магнитного полей в световодных измерительных системах.

Характеристики волоконных фильтров определяются их физическими параметрами (длиной фильтра, глубиной модуляции и периодом модуляции диэлектрической проницаемости и т. д.). Для теоретического анализа распространения света в периодически модулированных световодах разработан эффективный

приближенный метод — метод связанных волн, справедливый при небольших отклонениях от условия Брэгга [229, 248].

Случай, когда условие Брэгга не выполняется, также представляет определенный интерес при создании световодных систем связи со спектральным уплотнением. Вследствие периодичности световода распространяющаяся в нем волна будет рассеиваться в окружающую волоконный световод среду под углами к оси световода.

Углы определяются из соотношения

где — постоянная распространения моды в волоконном световоде.

Известно, что поэтому может принимать действительные значения только при

Можно выбрать значение таким, что угол будет действительным только для одного значения — . В этом случае величина обычно отрицательна, так что поле рассеивается в окружающую среду под острым углом относительно оси . Этот случай описывает обратную волну утечки.

Если сделать величину достаточно малой, то углы утечки будут действительными при нескольких значениях . При этом нескольким первым дифракционным порядкам соответствуют волны утечки типа прямой волны, а оставшиеся порядки — утечки обратного типа. Каждый из этих порядков образует пучок, излучаемый во внешние области.

Если в волоконном световоде распространяется одновременно несколько световых волн с различными длинами, например и то соответствующие этим длинам волн пучки, излучаемые через боковую поверхность фильтра, будут распространяться под различными углами. Эти пучки могут быть продетектированы различными фотоприемниками, т. е. волоконный фильтр, для которого условие Брэгга не выполнено, может использоваться в световодных системах связи со спектральным уплотнением для вывода излучения из сердцевины волоконного световода без нарушения ее целостности (в случае, если периодически модулирована оболочка световода), а также для пространственного разделения различных частотных компонентов выведенного через боковую поверхность фильтра излучения (рис. 4.49, г). В силу теоремы взаимности подобные фильтры могут использоваться и для ввода излучения в волоконный световод (рис. 4 49, д). Причем благодаря высокой селективности фильтра возможно избирательное возбуждение в световоде отдельных групп мод.

Волоконные фильтры могут быть изготовлены голографическим методом [112, 248]. В работе [248] для записи фильтра в сердцевине одномодового волоконного световода, легированной германием, использовался аргоновый лазер. Введенная в волоконный световод световая волна частично отражается от конца

волоконного световода. В сердцевине волоконного световода формируется иктерферекционкая картина, период которой удовлетворяет условию Брэгга для длины волны записывающего излучения. В местах расположения пучностей интерференционной картины происходят изменения показателя преломления сердцевины волоконного световода и формируется волоконный фильтр. На рис. 4.50 представлена экспериментальная зависимость ширины полосы фильтра от мощности записывающего излучения.

Периодическую структуру можно также сформировать в оболочке световода при записи картины интерференции двух плоских световых волн, распространяющихся под углом друг к другу, в слое фоточувствительного материала, нанесенном на волоконный световод, и последующем проявлении этой картины в виде периодического изменения по длине волокна показателя преломления оболочки.

Рис. 4.50. Экспериментальная зависимость ширины полосы фильтра от мощности записывающего излучения при изготовлении фильтров методом голографии