15.3. Делители и сумматоры мощности оптических сигналов. Направленные ответвители

Для распределения мощнос­ти оптического сигнала по нес­кольким каналам используют де­лители, а для объединения нес­кольких оптических сигналов в од­ном канале - сумматоры. Одним из простейших делителей или сумматоров является Т-развет-вление световодов. Такое разветвление можно выполнить

в микрооптическом (рис.15.12), планарном (рис. 15.13) и волоконном (рис. 15.14) вариантах. В первом случае (рис. 15.12) волна, распространяющаяся в волоконном световоде плеча 1, с помощью градиентной стержневой линзы транс­формируется в лучевую волну свободного пространства (парал­лельный пучок световых лучей). На пути распространения лучевой волны под углом 45° к направлению ее распространения уста­навливается светоделительная пластина, которая частично про­пускает и частично отражает мощность падающей волны. Под­бирая величину диэлектрической проницаемости пластины и ее толщину, добиваются, чтобы прошедшая и отраженная волны переносили требуемую мощность (например, равную). Затем с помощью фокусирующих градиентных линз прошедшая и отра­женная волны преобразуются в направляемые волны выходных волоконных световодов, образующих плечи 2 и 3. Устанавливая

вдоль линии, соединяющей продольные оси световодов в плечах 1 и 3, несколько светоделительных пластин, параллельных друг другу и расположенных на некотором расстоянии одна от другой, можно получить делитель, обеспечивающий деление входного сигнала на несколько частей. В планарной (рис. 15.13) и волокон­ной (рис. 15.14) конструкциях Т-разветвления световодов неодно­родность, образующаяся в месте разветвления, приводит к появ­лению излучения в окружающее пространство. Для уменьшения этого излучения до пренебрежимо малой величины обычно вы­бирают малый угол разветвления (Θ≈1...2°) и достаточно боль­шую длину l=3...5 см.

При создании многоканальных делителей световых сигналов чаще используют параллельную схему деления. На рис. 15.15 показана волоконная конструкция делителя со смесительным све­товодом: к обоим торцам смесительного световода, имеющего достаточно большой диаметр сердечника, прикрепляются воло­конные световоды. Энергия светового излучения, передаваемая по любому входному световоду, попадает в смесительный све­товод и после многократных отражений на границе раздела сер­дечника и оболочки в выходные волокна. Подбирая параметры и длину смесительного волокна (обычно несколько сантиметров), можно обеспечить одинаковые потоки энергии, переносимые волнами в выходных световодах. Для уменьшения потерь в схеме стараются максимально плотно расположить волокна на торцах смесительной области.

Более проста в изготовлении и имеет меньшие вносимые потери конструкция делителя со сплавленными волокнами (рис. 15.16). Волоконные световоды скручиваются и вытягиваются, а место скрутки нагревается с помощью кислородно-пропановой горелки, что приводит к сплавлению волокон в зоне сужения, которая и играет роль смесительного световода. Вносимые потери здесь мене 1 дБ при числе входных и выходных волокон порядка 100 [63].

В системах, где по световодам одновременно распрост­раняются как передаваемые, так и принимаемые сигналы, можно использовать конструкцию делителя с отражающим зеркалом: на выходной торец смесительного волокна (рис. 15.15) наносят от­ражающий слой, в случае применения сплавленных волокон (рис. 15.16) разрезают зону скру­чивания посередине и на полу­ченный торец наносят отра­жающий слой. На рис. 15.17 по­казана интегрально-оптическая конструкция делителя с отражающим слоем.

В стеклянной пластине сформирована светопроводящая пленка (планарный световод), образующая прямоуголь­ную смесительную область, плавные переходы и полосковые све­товоды. На противоположный торец смесительной области нане­сен отражающий слой, например многослойное диэлектрическое покрытие.

Для деления или суммирования оптических сигналов можно использовать направленные ответвители (см.14.1). Обмен энер­гиями волн между двумя световодами, расположенными на опре­деленном расстоянии друг от друга, может возникнуть или за счет поля, излучаемого из световода, или за счет поля поверхностных волн световодов. В первом случае для создания поля излучения световод должен иметь неоднородности, вызывающие излучение при распространении волны по световоду. Во втором случае световоды сближают до тех пор, пока каждый из них не окажется в поле поверхностной волны другого световода. Последний случай чаще используется на практике при конструировании ответвителей, поскольку в этом случае можно обеспечить любой переход энергии из одного световода в другой, вплоть до полного.

Отметим, что явление связанных волн наблюдается и между волнами одного многомодового световода, если между ними по­является связь, например за счет специально формируемых в световоде неоднородностей (дифракционная решетка, см. 15.4), Существенной разницы в проявлении этого явления не будет, за исключением определения коэффициента связи волн.

Поскольку в волоконных световодах для распространяю­щихся волн поле вне оболочки практически отсутствует, то для получения связи между такими световодами часть оболочки в месте соприкосновения волокон удаляется путем стачивания или расплавления. В последнем случае за счет расплавления оболочек обеспечивается прочность соединения волокон. На рис.15.18 показана волоконная,

а на рис. 15.19 интегрально-оптическая конструкция ответвителя. Мощность Р₁ поданная в плечо 7, делится между выходными плечами 2 и 3, а в плечо 4 мощность практически не ответвляется.

Рассмотрим взаимодействие волн двух световодов (рис. 15.19) при не очень сильной связи. В этом случае приближенно можно представить поле в связанной системе через поля волн одиночных световодов. Пусть по первому световоду распространяется волна,. напряженность электрического поля которой равна E_m1=E₁exp(-iβ₁z)_; а по второму-волна с вектором E_m2 = E₂exp(-iβ₂z). Если свето­воды не связаны друг с другом, то между комплексной амплитудой вектора Е каждой волны и скоростью ее изменения вдоль оси 2 существует очевидная связь dE_m1/dz=-iβ₁E_m1 и dE_m2/dz=-i β₂Е_m2.В области связи световодов волна одного световода служит источником для волны другого, поэтому можно записать dE_m1/dz где К₁ и K₂-погонные коэффициенты связи между волнами. Величины К₁ и К₂ можно рассчитать, зная поля волн в одиночных световодах, по форму­лам, приведенным в [42]. Поэтому если на вход области связи; (pиc.15.19) поступает волна, переносящая .мощность Р₁ то, ис­пользуя решение системы выписанных уравнений (т.е. определив поля в области связи), можно получить следующие формулы для мощностей Р₂ и Р₃ на выходах области связи [42]:

Зависимости Р₂/Р₁ и Р₃/Р₁ от произведения Kl при разных величинах ∆β, рассчитанные по (15.1), показаны на рис. 15.20. При β₁= β₂ возможно из первого световода ответвить любую часть мощности во второй световод,

для этого следует подобрать величину l или К (К меняется при изменении расстояния между световодами в области связи). Полная передача мощности из первого во второй световод обеспечивается при l =π/(2К). Если β₁≠ β₂, то есть ∆β≠О, то невозможно полностью передать мощность из первого во второй световод. Зависимость ответвленной части мощности Р₃/Р₁ от величины ∆β l /π при l =π/(2К) показана на рис.15.21, т.е. вели­чину ответвленной мощности можно изменять путем изменения коэффициентов фазы волн в световодах. Это свойство исполь­зуется при построении регулируемых направленных ответвителей и переключателей.

В данном случае полосковый ответвитель (рис. 15.19) форми­руется в среде с достаточно сильным электрооптическим эф­фектом и дополняется системой электродов, на которые подается управляющее напряжение (рис. 15.22). При приложении постоян­ного напряжения U_o к электродам изменяется коэффициент пре­ломления среды в области связи световодов, что приводит к изменению коэффициентов фаз β₁иβ₂ волн, распространяющихся по световодам в области связи. При этом мощность ответвленного сигнала в плече 3 меняется в соответствии с рис.15.21. Если выб­рать одинаковые световоды, чтобы β₁= β₂ при U_o = 0, и длину области связи l =π/(2К), то при U_o = 0 вся мощность из плеча 1 будет проходить в плечо 3. При приложении напряжения U_o, для

которого β₁- β₂ =√3π l, сигнал и; плеча 1 полностью проходит в плече 2. Описанная конструкция переклю­чателя (рис. 15.22) требует весьма жестких допусков на изготовление, чтобы обеспечить требуемую длину l области связи и равные коэффициенты фазы волн в световодах.

Указанный недостаток устраняется в двухсекционном переклю­чателе на направленном ответви-^J° теле (рис. 15.23). Переключатель со­стоит из двух каскадно включенных направленных ответвителей (сек­ций) одинаковой длины l ₁ причем 2 l ₁=π/(2К). Каждая секция управля-ется отдельно. Если к каждой секции приложить одинаковые по величине, но противоположные по знаку напряжения U_o, то вся входная мощность из плеча 1 будет ответвляться в плечо 3, поскольку если в первой секции в первом световоде коэффициент преломления увеличивается на какую-то величину из-за прило­женного к электродам напряжения, то в том же световоде во второй секции коэффициент преломления уменьшается на такую же величину, т.е. усредненный по длине коэффициент прелом­ления световодов остается примерно таким же, как и в отсутствии напряжения. При приложении к электродам секций равных на­пряжений, совпадающих по знаку, сигнал из плеча 1 полностью поступает в плечо 2, так как в этом случае переключатель сов­падает с переключателем, изображенным на рис. 15.22. В двухсек­ционном переключателе ухудшение параметров из-за неточностей изготовления можно скомпенсировать подбором соответствующих управляющих напряжений на электродах каждой секции. Более подробно вопросы проектирования оптических направленных ответвителей и переключателей на их основе изложены в [41, 42].