4.9. Оптические аттенюаторы

Оптические аттенюаторы предназначены для внесения в световодные системы заданного (регулируемого) оптического затухания. Они применяются для настройки и регулировки аппаратуры, а также в системах автоматической регулировки усиления оптоэлектронных преобразователей. Исследуются пути создания аттенюаторов для автоматической регулировки мощности излучения электронно-оптических преобразователей.

Оптические аттенюаторы характеризуются начальными оптическими потерями, динамическим диапазоном, а также погрешностью установки заданного затухания, устойчивостью параметров к внешним воздействиям.

Действие аттенюаторов основывается на изменении оптических потерь в результате механического воздействия на волоконный световод или механического перемещения элементов аттенюатора, а также изменении оптического сигнала в результате электро-оптического, магнитооптического, электрохромного и других оптических эффектов.

Механические аттенюаторы по способу введения затухания можно разделить на два типа:

устройства, оптические потери в которых создаются в результате введения между торцами волоконных световодов дополнительных элементов или взаимного изменения положения торцов;

устройства, в которых оптические потери вносятся без разрыва волоконного световода за счет изменения их геометрии или внутренних напряжений

Устройства первого типа хорошо исследованы. Создан ряд конструкций, успешно применяемых в различных световодных системах (рис. 4.51).

Рис. 4.51. Мехаинческне оптические аттенюаторы а — изменение взаимного положения волоконных световодов, б — ввод фильтра между торцами волоконных световодов; в — ввод фильтров между микролинзами, г — изменение затухания за счет микроизгибов волоконных световодов

Широкое применение нашли аттенюаторы, в которых для регулирования оптического затухания используется изменение расстояния, угла или осевого смещения между торцами волоконных световодов [259, 306] (рис. 4.51, а). Созданы устройства как для многомодовых, так и для одномодовых световодов. Достоинствами аттенюаторов этого типа являются малые начальные потери, простота конструкции, технологичность. Однако нелинейность зависимости оптических потерь от взаимного расположения торцов волокон создает ряд трудностей при реализации конструкций с большим динамическим диапазоном, поэтому у таких устройств, как правило, этот параметр обставляет порядка 20—40 дБ. Также трудно обеспечить во всем диапазоне высокую воспроизводимость установки заданных значений оптического затухания Устройства чувствительны к вибрациям, изменению температуры и другим внешним воздействиям в связи с сильной зависимостью оптических потерь от взаимного расположения световодов

Наиболее широкое применение имеют оптические аттенюаторы, в которых в зазор между торцами волоконных световодов вводятся фильтры различных типов (поглощающие, отражающие, поляризационные). Такие устройства создаются как с использованием коллимирующих и фокусирующих элементов, так и без

них. В случае введения фильтров без применения коллимирующих элементов (рис. 4.51, б) устройства имеют большие начальные потери —10 дБ, вызванные осевым смещением световодов. Устройства, в которых используются коллимирующие и фокусирующие элементы (рис. 4.51, в) [312], могут иметь начальные оптические потери 0,5 дБ, но для этого требуются очень высокая точность изготовления деталей и применение просветляющих покрытий Как правило, начальные потери 2 дБ допустимы в большинстве областей применения. Практически нет ограничений динамического диапазона, легко достижимы значения 90 дБ, а в случае необходимости и более высокие. Чаще всего применяются дискретные фильтры с шагом от 0,5 до 3 дБ, но разработаны также несколько типов устройств, например с использованием поляризационных фильтров, с плавной регулировкой оптического затухания. Обычно в аттенюаторах применяются разъемные соединители, поэтому на вносимое затухание значительное влияние оказывают внешние воздействия. Установку фильтров производят под небольшим углом к коллимированному лучу, чтобы уменьшить отраженные во входной волоконный световод сигналы

Устройства, в которых заданное оптическое затухание вносится без разрыва волоконного световода, представляют интерес прежде всего для использования в качестве автоматизированных устройств регулировки усиления в оптоэлектронных преобразователях. Эти устройства должны иметь как можно меньшие начальные оптические потери и динамический диапазон порядка 10—20 дБ. Для реализации устройств этого типа можно применять все принципы, используемые для создания чувствительных элементов оптических схем регистрации. Наиболее просто ввести заданное затухание с помощью изменения радиуса изгиба волоконных световодов и создания микроизгибов (см. гл. 3). Эти устройства характеризуются удовлетворительными начальным затуханием и динамическим диапазоном, но и здесь возникает ряд проблем, в частности — точность установки заданного затухания, в ряде измерительных систем под влиянием внешних воздействий возникает паразитная модуляция в аттенюаторе.

Для автоматизированных систем контроля параметров аппаратуры, регулировки усиления фотоприемников или мощности излучения лазеров разрабатываются оптические аттенюаторы на основе электрооптического, электрохромного и других оптических эффектов. Так как эти устройства должны под действием приложенного к ним электрического сигнала обеспечить изменение интенсивности оптического излучения, то для их реализации пригодны все методы создания оптических модуляторов и переключателей.

Применение магнитооптического и акустооптического эффектов в оптических аттенюаторах на сегодня представляется малоцелесообразным в связи со сложностью конструкции, технологии

изготовления или высокой потребляемой мощностью. Наибольшее развитие получили исследования по созданию аттенюаторов на основе электрооптических свойств жидких кристаллов [169]. Жидкокристаллическая ячейка представляет собой тонкую пленку жидкого кристалла, находящуюся в капиллярном зазоре между двумя стеклянными пластинами с прозрачными электродами. В зависимости от прилагаемого напряжения меняется угол поворота плоскости поляризации проходящего оптического излучения. При установке между коллимирующим и фокусирующим элементами поляризатора жидкокристаллической ячейки и анализатора легко обеспечивается регулировка ослабления оптического сигнала с помощью напряжения, прикладываемого к электродам жидко-кристаллической ячейки.

Рис. 4.52. Оптический аттенюатор на основе жидкокристаллической ячейки: 1 — двулучепреломляющие пластины; 2 — жидкокристаллическая ячейка

Рис. 4.53. Устройство регулирования затухания на основе электрохромной ячейки: 1 — призма ввода, 2 — подложка; 3 — планарный световод; 4 — электроды; 5 — электро-хромная ячейка, 6 — слой с ионной проводимостью

Такие устройства имеют начальные оптические потери больше 3 дБ, обусловленные экстинкцией поляризатора и анализатора.

Созданы также оптические аттенюаторы на жидких кристаллах (рис. 4.52) [169], позволяющие изменять мощность оптического сигнала без нежелательных изменений в пространственном, спектральном или поляризационном распределении света в луче, В этой конструкции жидкокристаллическая ячейка располагается между двумя двулучепреломляющими пластинами. Падающий луч распадается на обыкновенный и необыкновенный, и на жидкокристаллическую ячейку оба луча поступают параллельно на расстоянии 550 мкм друг от друга. При отсутствии управляющего напряжения на электродах жидкокристаллической ячейки плоскость поляризации в обоих лучах поворачивается на 90°, и оба луча после прохождения двулучепреломляющей пластины выходят по одному пути. В результате приложения напряжения оптическая энергия перераспределяется в периферийные лучи. Это устройство имеет начальные потери 1 дБ, динамический диапазон 31,5 дБ. Устройство реализовано не только на коллимированных лучах, но и на сфокусированных.

Исследовалась возможность применения электрохромных свойств пленок оксида ванадия [26, 27] для создания устройств автоматизированного регулирования интенсивности излучения. Действие устройств (рис. 4.53) основано на преобразовании света, распространяющегося по планарному световоду, в волновую моду пленки оксида ванадия, ослабление сигнала в котором осуществлялось с помощью изменения напряжения (3—5 В). Такая конструкция сложна, характеризуется большими начальными потерями, и мало вероятно, что она сможет найти применение в реальных системах.

Таким образом, механические и электрооптические (на основе жидких кристаллов) аттенюаторы в основном удовлетворяют всем требованиям и для разработки других типов аттенюаторов нет больших стимулов. Неясным остается вопрос об использовании оптических аттенюаторов для автоматизированной регулировки усиления в световодных измерительных системах в связи с тем, что влияние на их работу внешних воздействий недостаточно изучено.