Акустооптический оптоволоконный коммутатор и способ изготовления оптоволоконной матрицы

 

Изобретение относится к оптоволоконной технике и может быть использовано в оптических приборах. Устройство содержит излучающие и приемные торцы оптических волокон, коллимирующий объектив, анизотропный акустооптический дефлектор и четвертьволновый замедлитель, включенный между плоским зеркалом, отражающим коллимированное излучение в обратном направлении, и анизотропным акустооптическим дефлектором. Излучающие торцы оптических волокон расположены в фокальной плоскости коллимирующего объектива. Плоское зеркало является диэлектрическим зеркалом. Для изготовления оптоволоконной матрицы многомодовое оптическое волокно нагревают, вытягивают для уменьшения диаметра сердцевины до размера сердцевины одномодового волокна и для уменьшения диаметра кварцевой оболочки оптического волокна, торцы отрезков этих волокон собирают в виде плоской матрицы, второй конец каждого из отрезков волокон стыкуют с одномодовым волокном. Обеспечено уменьшение стоимости изготовления устройства и расширены его функциональные возможности. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оптоволоконной технике, а именно к акустооптическим оптоволоконным коммутаторам.

Известно изобретение “Акустооптический переключатель для волоконно-оптический линий”, содержащий излучающие и приемные торцы оптических волокон, управляемое устройство поворота плоскости поляризации излучаемых волокон, коллимирующий объектив, устройство оптического переключения первого и второго оптических волокон, которое содержит управляющее устройство для формирования первого и второго электрических сигналов, первый и второй оптически активные элементы, каждый из которых отражает свет под определенным углом, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, соединенные с управляющим устройством для получения первого и второго сигналов, при этом первый пьезоэлектрический преобразователь сопряжен с первым оптически активным элементом, управляется первым электрическим сигналом и формирует первую акустическую волну в первом оптически активном элементе, при этом второй пьезоэлектрический преобразователь сопряжен со вторым оптически активным элементом, управляется вторым электрическим сигналом и формирует вторую акустическую волну во втором оптически активном элементе. Угол дифракции первого оптически активного элемента соответствует первой акустической волне, и угол дифракции второго оптически активного элемента соответствует второй акустической волне, при этом оптический сигнал, излучаемый первым оптическим волокном, направляется в коллимирующий объектив. отклоняется первым и вторым оптически активными элементами и через фокусирующий объектив направляется во второе оптическое волокно. Для направления оптического сигнала от первого оптического волокна во второе оптическое волокно осуществляются следующие действия: определение указанного второго оптического волокна из множества оптических волокон, отклонение оптического сигнала первым и вторым оптически активными элементами и фокусирование оптического сигнала таким образом, чтобы он был совмещен со вторым волокном. Управляемое устройство поворота плоскости поляризации излучающих волокон осуществляет установку ориентации плоскости поляризации поляризованного излучения на входе дефлектора с анизотропным оптически активным элементом в плоскости фронта акустической волны.

Заявка РСТ/САО 1/00226 “Акустооптический переключатель для волоконно-оптических линий”, 22.02.2000.

Это изобретение выбрано в качестве прототипа. К недостаткам изобретения относится наличие двух объективов в конструкции акустооптического оптоволоконного коммутатора: коллимирующего объектива и фокусирующего объектива, как минимум наличие двух матриц с оптическими волокнами, что увеличивает себестоимость устройства, и, кроме того, ограничены функциональные возможности устройства, так как невозможно осуществить взаимную коммутацию волокон, находящихся в одной матрице, торцы волокон которой находятся в одной фокальной плоскости.

Выполнение акустооптического переключателя в виде устройства, в котором анизотропный акустооптический дефлектор содержит плоское зеркало, отражающее в обратном направлении коллимированное излучение, поступившее в дефлектор, с рабочей апертурой, соответствующей рабочей апертуре коллимирующего объектива, который является и фокусирующим объективом, причем излучающие и приемные торцы оптических волокон расположены в одной фокальной плоскости коллимирующего и фокусирующего объектива - в общем случае невозможно из-за необратимости анизотропного акустооптического дефлектора вследствие несовпадения плоскости поляризации отраженного излучения и необходимой ориентации плоскости поляризации при обратном прохождении излучения через дефлектор. Недостаток устройства состоит в том, что невозможно реализовать акустооптический оптоволоконный коммутатор с анизотропным оптически активным элементом дефлектора, акустическое качество которого превосходит соответствующий показатель изотропного активного элемента дефлектора (анизотропный дефлектор на парателлурите по акустическому качеству в 500 раз превосходит дефлектор на кварце). Вследствие относительно низких дифракционных потерь практическую значимость имеет только коммутатор с анизотропным дефлектором.

В заявленном изобретении - акустооптическом оптоволоконном коммутаторе технический результат достигается при применении четвертьволнового замедлителя, включенного между плоским зеркалом, отражающим коллимированное излучение в обратном направлении, и анизотропным акустооптическим дефлектором, причем плоское зеркало является диэлектрическим зеркалом, что приводит к выполнению физических условий, при которых анизотропный акустооптический дефлектор становится обратимым и может быть применен в коммутаторе с прямым и обратным прохождением излучения через дефлектор.

Сущностью изобретения является то, что акустооптический оптоволоконный коммутатор, содержащий излучающие и приемные торцы оптических волокон, управляемое устройство поворота плоскости поляризации излучаемых волокон, коллимирующий объектив, причем излучающие торцы оптических волокон расположены в фокальной плоскости коллимирующего объектива (коллиматора), акустооптический дефлектор, отличается тем, что дополнительно содержит четвертьволновый замедлитель, включенный между плоским зеркалом, отражающим коллимированное излучение в обратном направлении, и анизотропным акустооптическим дефлектором, причем плоское зеркало является диэлектрическим зеркалом.

Акустооптический оптоволоконный коммутатор (чертеж) содержит коллимирующий и фокусирующий объектив 1, матрицу 2 приемных и передающих оптических волокон, однокоординатный акустооптический дефлектор 3 с анизотропной дифракцией оптически активного элемента, являющийся составной частью двухкоординатного дефлектора, генератор 4 для возбуждения акустической волны однокоординатного акустооптического дефлектора 3, однокоординатный акустооптический дефлектор 8 с анизотропной дифракцией оптически активного элемента, являющийся составной частью двухкоординатного дефлектора, генератор 9 для возбуждения акустической волны однокоординатного акустооптического дефлектора 8, плоское диэлектрическое зеркало 5, четвертьволновый замедлитель 6, управляемое устройство поворота плоскости поляризации 7.

Центры рабочей апертуры коллимирующего и фокусирующего объектива 1 и однокоординатного акустооптического дефлектора 3 находятся на оси, проходящей через центр матрицы 2 в направлении, параллельном осям приемных и передающих оптических волокон. Рабочая апертура дефлектора 8 соответствует рабочей апертуре дефлектора 3 и рабочей апертуре плоского диэлектрического зеркала 5.

Плоское диэлектрическое зеркало 5 ориентировано по отношению к исходящему лучу центрального оптического волокна матрицы 2 и исходящему лучу между дефлекторами 3 и 8 таким образом, что при средних частотах динамических диапазонов генераторов 4 и 9 отраженный луч фокусируется на торце центрального излучающего оптического волокна матрицы 2.

Излучающие и приемные торцы оптических волокон расположены в одной матрице.

Поляризованное оптическое излучение поступает по одному из передающих оптических волокон матрицы 2, торцы оптических волокон матрицы 2 находятся в фокальной плоскости коллимирующего и фокусирующего объектива 1.

Поляризованное излучение, исходящее с торца передающего оптического волокна матрицы 2, коллимирующим и фокусирующим объективом 1 преобразуется в коллимированное излучение с апертурой, соответствующей рабочей апертуре коллимирующего и фокусирующего объектива 1, однокоординатного акустооптического дефлектора 3 и плоского диэлектрического зеркала 5. Коллимированное излучение с выхода коллимирующего и фокусирующего объектива 1 поступает на однокоординатный акустооптический дефлектор 3, включающий оптически активный элемент с анизотропной дифракцией. При этом управляемым устройством поворота плоскости поляризации 7 исходящее поляризованное излучение на входе однокоординатного дефлектора 3 с анизотропным оптически активным элементом ориентируется в плоскости фронта акустической волны, при этом на выходе оно будет повернуто на π/2 относительно входа (Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Сов. радио, 1978, 112 с.). Каждый из однокоординатных акустооптических дефлекторов 3 и 8, включающих оптически активные элементы с анизотропной дифракцией, в которых генераторами 4 и 9 возбуждаются акустические дифракционные решетки брэгговского типа, формирует дифрагированный пучок под определенным углом к исходному пучку. При этом после прохождения через однокоординатный акустооптический дефлектор 3 коллимированное излучение, отклоненное на угол, определяемый физическими параметрами дефлектора, длиной волны отклоняемого света и частотой генератора 4, управляющего однокоординатным акустооптическим дефлектором 3, поступает на вход дефлектора 8, который повернут на π/2 относительно дефлектора 3 и, соответственно, согласован по поляризации с поляризацией падающего на него излучения.

Каждый из однокоординатных дефлекторов 3 и 8 выполняет поворот плоскости поляризации на π/2. При этом для выполнения тех же поляризационных условий при обратном прохождении света для отраженного от диэлектрического зеркала 5 излучения необходимо осуществить дополнительный поворот плоскости поляризации на π/2. Для этого предназначен четвертьволновый замедлитель 6.

Излучение отражается от плоского диэлектрического зеркала 5 и вновь проходит через однокоординатные акустооптические дефлекторы 8 и 3, отклоняясь аналогичным образом, и объективом 1 фокусируется в плоскости торцов оптических волокон матрицы 2. При этом стоящий на пути лучей четвертьволновый замедлитель 6 при двукратном прохождении через него отраженного от диэлектрического зеркала 5 излучения позволяет при обратном прохождении света перед дефлектором 8 сформировать излучение с требуемой ориентацией плоскости поляризации - повернутое на π/2 относительно прошедшего через дефлектор 8 излучения. Очевидно, что только при этом условии анизотропный акустооптический дефлектор становится обратимым. Положения падающего пучка и первого порядка дифрагированного излучения при этом меняются местами.

Поворот плоскости поляризации четвертьволновым замедлителем и диэлектрическим зеркалом осуществляется следующим образом. После первого прохождения четвертьволнового замедлителя свет приобретает круговую поляризацию. Когда свет отражается от границы двух диэлектриков, от области с большим, чем первая область, показателем преломления, он сохраняет круговую поляризацию, но с противоположным направлением вращения. Следовательно, при прохождении света через замедлитель в обратном направлении происходит восстановление линейной поляризации, но с ориентацией, перпендикулярной исходной (Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999, с.103 и 104).

В качестве четвертьволнового замедлителя может быть использована четвертьволновая пластина, выполненная из двулучепреломляющего кристалла, ориентированная под углом π/4 между плоскостью поляризации и оптической осью пластины, так как только в этом случае равны амплитуды волн, между которыми пластина V4 вносит сдвиг фаз π/2 (Бутиков Е.И. Оптика. - М.: Высш. шк., 1986, с.177).

В качестве четвертьволнового замедлителя также может быть использован параллелепипед Френеля, обладающий аналогичными свойствами (Бутиков Е.И. Оптика. - М.: Высш. шк., 1986, с.159 и 160).

Диэлектрическое зеркало, состоящее из одной границы раздела сред, обладает малым коэффициентом отражения. Очевидно, что необходимо использовать многослойное диэлектрическое зеркало для заданной длины волны света. Такое зеркало обладает очень высокой отражательной способностью (Бутиков Е.И. Оптика. - М.: Высш. шк., 1986, с.260 и 261), и оно может быть расположено, в частности, в виде покрытия на одной стороне четвертьволнового замедлителя 6.

Так как при отражении от плоского зеркала 5 пути лучей - падающего и отраженного - в общем случае не совпадают, за исключением ортогонального падения, выбором частот генераторов 4 и 9 можно направить отраженное от плоского диэлектрического зеркала 5 излучение в один из выбранных приемных торцов оптических волокон матрицы 2. Плоское диэлектрическое зеркало 5 ориентировано по отношению к исходящему лучу центрального оптического волокна матрицы 2 таким образом, что при средней частоте динамического диапазона одного генератора 4 отраженный луч фокусируется на торце центрального излучающего оптического волокна матрицы 2.

В качестве излучающих и приемных оптических волокон может быть использована матрица торцов отрезков оптических волокон, полученных вытягиванием многомодовых волоконных световодов до получения одномодовых волоконных световодов с последующим соединением противоположных концов отрезков волокон матрицы с другими одномодовыми волоконными световодами.

Существующие акустооптические дефлекторы имеют малый диапазон угла отклонения светового луча - около одного градуса. Необходимым условием малых потерь при вводе излучения в волокно являются высокие требования по допустимым искажениям волнового фронта дефлектором и объективом. Следствие этого и иных причин - относительно малая рабочая апертура дефлектора и объектива. Связанное с апертурой значение фокусного расстояния объектива определяет апертуру рабочего поля в фокальной плоскости, в котором возможно сканирование плоскости торцов матрицы волокон оптическим лучом. Существующие оптические средства (и предполагаемые в недалеком будущем) позволяют рассчитывать на размер торца матрицы волокон < 1 мм. Для стандартного диаметра кварцевой оболочки волокна 125 мкм в квадратной матрице можно уложить не более 25 волокон. При этом диаметр сердцевины оптического волокна - область, по которой распространяется почти вся мощность оптического излучения, составляет 8-10 мкм. (Для стандарта TIA/EIA-568-A диаметр модового ноля находится в диапазоне 8,7-10 мкм для длины волны света λ=1,3 мкм). Очевидно, что существенное увеличение числа волокон в матрице возможно при стравливании части кварцевой оболочки, что и было предложено в описании к Заявке РСТ/САО 1/00226. Недостатками этого изобретения являются:

1. Неравномерное травление волокон - при локальном протравливании до сердцевины возникают оптические потери:

2. Неравномерность травления по длине (конусность) снижает плотность упаковки волокон в матрице;

3. Сборка матрицы стандартных травленых волокон сложна из-за разных диаметров основного волокна и травленого конца этого волокна - невозможно получить высокую плотность упаковки.

Целью изобретения является создание специализированного волокна, имеющего стандартный для одномодового волокна размер сердцевины и существенно меньший размер внешней кварцевой оболочки. Освоение производства таких волокон экономически нецелесообразно из-за малых потребностей в таком волокне и сложности его использования для обычных применений. Тот же результат можно получить вытягиванием разогретого до необходимой температуры многомодового волокна. Многомодовое волокно характеризуется тем, что диаметр его сердцевины существенно больше, чем диаметр сердцевина одномодового волокна (~60 мкм при внешнем стандартном диаметре 125 мкм).

Сущностью заявленного изобретения является изготовление одномодового оптического волокна из многомодового оптического волокна, диаметр сердцевины которого больше диаметра сердцевины одномодового оптического волокна, которое нагревают, вытягивают для уменьшения диаметра сердцевины до размера сердцевины одномодового волокна и для уменьшения диаметра кварцевой оболочки оптического волокна, торцы отрезков этих волокон собирают в виде плоской матрицы, второй конец каждого из отрезков волокон стыкуют с одномодовым волокном.

Очевидно, что, вытянув волокно до диаметра сердцевины 8-10 мкм, получим внешний диаметр волокна ~20 мкм. Такой результат невозможно получить травлением. Обязательное требование к технологии вытягивания волокна - выполнение режима существования одной направляемой (фундаментальной) моды. Выбирая технологические параметры вытягивания многомодового оптического волокна, можно получить режим распространения только этой моды, что реализуется при условии (Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: САЙРУС СИСТЕМС. 1999, с.31):

где n₁ - показатель преломления сердцевины волокна;

n₂ - показатель преломления оболочки волокна;

R - радиус сердцевины;

λ - длина волны света.

Получив таким образом одномодовое волокно, можно из отрезков такого волокна собрать коммутационную матрицу с малой апертурой при большом числе волокон ~1000. Концы волокон матрицы должны стыковаться со стандартными одномодовыми волокнами одним из известных методов - клеевым соединением в частности.

В отличие от широко применяемых в настоящее время оптических коммутаторов с электронным ядром (ОЕО) рассматриваемое известное устройство (Заявка РСТ/САО 1/00226) а также заявленное изобретение характеризуются тем, что в них используется принцип непосредственной коммутации оптического излучения в одномодовых волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Основное преимущество коммутаторов с оптическим ядром - отсутствие ограничении пропускной способности канала связи, обусловленной электронным ядром системы коммутации. Заявленное изобретение - вариант данной структуры 000-коммутатора, в котором в отличие от известного устройства с точки зрения технической применимости предлагаемого изобретения конструктивные отличия позволяют применить в коммутаторе анизотропные оптически активные элементы дефлектора и вследствие этого снизить оптические потери при коммутации.

Возможные применения предполагаемого изобретения:

1. Системы коммутации волоконно-оптических сетей.

2. Системы временного и частотного уплотнения и разделения оптических сигналов.

Были проведены экспериментальные исследования макетных образцов коммутатора, выполненного согласно заявке РСТ/САО 1/00226, и базовых узлов заявляемого устройства. Результаты исследований свидетельствуют о возможности реализации предполагаемого изобретения со следующими параметрами: скорость переключения ~5 мкс; число каналов ~300 и более; потери мощности оптического излучения в коммутаторе ~8 дБм.

Формула изобретения

1. Акустооптический оптоволоконный коммутатор, содержащий излучающие и приемные торцы оптических волокон, коллимирующий объектив, причем излучающие торцы оптических волокон расположены в фокальной плоскости коллимирующего объектива, акустооптический дефлектор, отличающийся тем, что содержит четвертьволновый замедлитель, включенный между плоским зеркалом, отражающим коллимированное излучение в обратном направлении, и анизотропным акустооптическим дефлектором, причем плоское зеркало является диэлектрическим зеркалом.

2. Акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве четвертьволнового замедлителя используется четвертьволновая пластинка.

3. Акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве четвертьволнового замедлителя используется параллелепипед Френеля.

4. Акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что плоское диэлектрическое зеркало расположено на одной стороне четвертьволнового замедлителя.

5. Акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что плоское диэлектрическое зеркало является многослойным диэлектрическим зеркалом.

6. Акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве излучающих и приемных оптических волокон используется матрица отрезков оптических волокон, полученных вытягиванием многомодовых оптических волокон.

7. Способ изготовления оптоволоконной матрицы, отличающийся тем, что многомодовое оптическое волокно нагревают, вытягивают для уменьшения диаметра сердцевины до размера сердцевины одномодового волокна и для уменьшения диаметра кварцевой оболочки оптического волокна, торцы отрезков этих волокон собирают в виде плоской матрицы, второй конец каждого из отрезков волокон стыкуют с одномодовым волокном.

РИСУНКИ

Рисунок 1