Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №11

Вносимые оптические потери и переходные помехи в акустооптическом переключателе каналов ВОСПИ

Васильев Юрий


Акустооптические устройства (АОУ) находят широкое применение в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ) в качестве коммутационных устройств разного функционального назначения: переключателей, коммутаторов, устройств доступа, спектральных акустооптических устройствах. Основные параметры коммутационных акустооптических устройств — это уровень переходных оптических помех между переключаемыми каналами и вносимые оптические потери

Вработах [1–3] проведены расчеты этих параметров двухкоординатного акустооптического переключателя (ДАОП), модификация которого изображена на рис. 1, где 1 — оптическое волокно (ОВ) входного канала α1; 2— коллимирующий элемент, расширяющий световой пучок; 3 — двухкоординатная акустооптическая ячейка (ДАОЯ), состоящая из акустооптического кристалла (звукопровода) 4, пьезопреобразователей 5 и 6 акустических горизонтального и вертикального каналов; 7— двухканальный генератор, управляющий ДАОЯ для переключения канала α1 через фокусирующий элемент 8 в ОВ 9 выходных оптических каналов α, β, γ, σ.



Рис. 1. Модификация двухкоординатного акустооптического переключателя

В оптических схемах на рис. 1 в качестве элементов 2 и 8 используются соответственно сферические линзы и микрооптические градиентные линзы типа «градан», торцы которых состыкованы с ОВ 1 и 9. Работа ДАОП, изображенных на рис. 1, изложена в [1] и [2, 3]. Свойства коллимирующих и фокусирующих «граданов» подробно описаны в работах [2–5, 8, 9]. В [9] автором на основе «граданов» рассмотрены пассивные оптические соединители. ДАОП могут быть отнесены к активным оптическим соединителям, так как переключение каналов осуществляется с помощью управляющего генератора 7, который возбуждает в ДАОЯ 3 акустическую волну, дифрагирует на ней световой пучок входного канала α1 и отклоняется в один из выходных каналов α, β, γ, σ.

В этих оптических схемах (рис. 1) засветка переключаемых оптических каналов осуществляется световыми пучками с постоянным распределением амплитуды светового поля в поперечном сечении [1–3].

При использовании ДАОП в составе ВОСПИ возникает необходимость в определенной корректировке расчетов с учетом одновременного влияния светового пучка, который имеет гауссовскую структуру, и акустического затухания на параметры ДАОП. Учитывая, что параметры оптических коммутационных устройств оказывают существенное влияние на качество передачи и приема информации ВОСПИ, эта задача своевременна и актуальна.

Проведем расчет уровня Wpq переходных оптических помех между оптическими каналами p и q ДАОП, где p, q = α, β, γ, σ — выходные оптические каналы в виде ОВ.

Переключение входного канала α1 в один из выходных (α, β, γ, σ) осуществляется с помощью двухканального ВЧ-генератора 7 (рис. 1), возбуждающего в ДАОЯ 3 акустические волны соответствующими ВЧ-сигналами на частотах fx = fy = fo.

Будем считать, что распределение интенсивности I(x, y) в поперечном сечении светового пучка, излучаемого входным каналом α1, описывается функцией Гаусса:

где I0 — интенсивность светового пучка на его оси.

ДАОЯ 3 состоит из двух акустических каналов 5 и 6, по которым вдоль ортогональных направлений x и y распространяются акустические волны, вызванные управляющими ВЧ-сигналами, которые поступают с генератора 7. При этом показатель преломления n(i, t) звукопровода 4 ДАОЯ изменяется по закону:

где n0 — показатель преломления невозмущенной среды ДАОЯ; Δn(i, t) = AΔni x cos{Ω0[t–(i+0,5L)/V]} — амплитуда изменения показателя преломления вдоль i-го направления; i = x, y; V — скорость акустической волны; εi — коэффициент затухания акустической волны вдоль i-го направления; Ai — амплитуда i-го ВЧ-сигнала; L — апертура ДАОЯ вдоль i-го направления; Ω = 2πf0.

Для упрощения расчетов рассмотрим случай, когда Ai = 1, εI = ε.

Используя результаты работ [1, 2], можно показать, что интенсивности Ip (ε, χ) световых пучков, засвечивающих оптические каналы p (p = α, β, γ, σ), определяются по формуле:


где Dp = I0BpL2/λF, Bp — коэффициенты, приведенные в [1]; F — фокусное расстояние фокусирующей линзы 8, осуществляющей ввод дифрагированных световых пучков в выходные оптические каналы, расположенные в фокальной плоскости (ξ, ζ) линзы, где координаты ξ и ζ параллельны соответственно x и y; ξp и ζp — координаты точек, в которых расположены центры оптических каналов, совпадающие с центрами световых пучков, отклоненных в соответствующий оптический канал.

Центры оптических волокон каналов α, β, γ, σ расположены в точках (ξα, ζα), (ξβ, ζβ), (ξγ, ζγ) и (ξσ, ζσ), имеющих соответственно координаты (–ξ0, –ζ0), (–ξ0, ζ0), (ξ0, ζ0) и (ξ0, –ζ0), где ξ0 = ζ0 = FtgφБ; φБ = arcsin(λf0/2V)— угол Брэгга, под которым световой пучок входного оптического канала засвечивает акустические каналы ДАОЯ.

Соотношение (1) представляет собой двумерное пространственное преобразование Фурье от функции Pi (ε, χ) которая описывает влияние на распределение интенсивности дифрагированного света гауссовской структуры светового пучка и акустического затухания.

Для расчетов по формулам (1) и (2) используем численные методы. Вводя переменную i1 = i+0,5L и используя ступенчатый метод численного анализа, получаем следующее выражение для отсчета интенсивности Ip (k)(υ, χ1) в фиксированной точке с координатами (ξk, ζk):


d = λF/L, N = L/δL — выбранное число дискретных точек отсчета с шагом δL, укладывающихся на апертуре L.

Величина Qa (k) в выражении (3) описывает относительное смещение произвольной точки (ξк, ζк) относительно точки с координатами (ξр, ζр), в которой расположен центр оптического канала р.

Выражение (3) позволяет найти распределение интенсивностей в произвольной точке фокальной плоскости (ξ, ζ), в которой расположены выходные оптические каналы ДАОП.

Для нахождения интенсивности света Ip (υ, χ1), засвечивающего сердцевину оптического канала p, необходимо проинтегрировать полученное выражение (3) по координатам ξ и ζ в пределах сердцевины волокна.

Расчет Ip (υ, χ1) также проводится ступенчатым методом. В результате можно записать:


где

K — число точек отсчета, укладывающихся на диаметре 2Δ сердцевины волокна, K = 2Δ/δξ, δξ— шаг отсчета.

Уровень переходных оптических помех между оптическими каналами p и q рассчитывается по формуле:

где Ip (υ, χ1) и Ip (q)(υ, χ1)— значения интенсив- ности света, засвечивающего соответственно оптические каналы p и q при переключении входного оптического канала α1 в канал p.

Величины Ip(υ, χ1) и Ip (q)(υ, χ1) определяются из соотношения (3). Только при расчете Ip (q)(υ, χ1) вместо значений ξр и ζр, входящих в Qa(k), следует подставить соответственно величины ξp–ξq, ζp–ζq, описывающие смещения центров оптических каналов и q вдоль координат ξ, ζ.

Вносимые оптические потери в оптическом канале p ДАОП рассчитываются по формуле:

где Cp(0, 0) — оптические потери без учета структуры светового пучка и акустического затухания [2], δCp(υ, χ1) = 10lg[Ip(0, 0)/Ip(υ, χ1)]— дополнительные оптические потери, зависящие от акустического затухания и структуры светового пучка.

В соответствии с алгоритмами (3), (4) были проведены расчеты значений относительной интенсивности Ip (q)(υ, χ1)/Dp, I′(υ, χ1) = Ip(υ, χ1)/Dp, а также величины Wpq(υ, χ1) по формуле (5) и дополнительные потери δCp(υ, χ1), входящие в соотношение (6).

Графики функций ρa(υ, χ1), описывающих поведение I′(υ, χ1) от параметров υ, χ1, а также Wpq(υ, χ1) и δCp(υ, χ1) для случая Δ/d = 1 при различных значениях υ и χ1 представлены на рис. 2–4.



Рис. 2. Графики функций ρa(υ, χ1) от параметров υ, χ1



Рис. 3. Графики функций ρa(υ, χ1) от Wpq(υ, χ1)



Рис. 4. Графики функций ρa(υ, χ1) от δCp(υ, χ1)

График, изображенный на рис. 3, построен для χ1 = 1, когда p и q — каналы α и β, β и γ, γ и σ, σ и α. Величина Qa =|apaq|/d представляет собой относительное смещение между каналами p и q.

Результаты расчетов показывают, что для диагональных каналов, когда p и q отвечают каналам α и γ, β и σ, параметр Wpq(υ, χ1) увеличивается в два раза по сравнению со случаем, соответствующим изображенному на рис. 3.

Расчетные значения Wpq(υ, χ1) для случаев χ1 = υ = 0 и χ1 = 0, υ1 ≠ 0 совпадают с данными расчетов, полученными в работе [1]. Из этого следует, что существенное влияние на интенсивность световых пучков, вводимых в выходные оптические каналы ДАОП, оказывают структура входного светового пучка и затухание акустической волны. Увеличение параметров χ1 и υ снижает интенсивность переключаемых световых пучков, что приводит к росту оптических потерь, вносимых в тракт передачи ВОСПИ при оптической коммутации, и уменьшает уровень переходных помех Wpq, приводящий к увеличению «паразитных» помех, проникающих в соседние выходные оптические каналы. Все это является причинами ухудшения качества приема информации, передаваемой по ВОСПИ. Таким образом, при проектировании ДАОП необходимо формировать входной световой пучок с малым параметром χ и выбирать акустооптические материалы с меньшим акустическим затуханием ε.

Литература

  1. Васильев Ю. Г., Купцов А. Д. Перекрестные помехи в каналах акустооптического двухкоординатного разветвителя-переключателя // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1987. Вып. 5.
  2. Васильев Ю. Г. , Заверткин Л. Д. Оптические потеpи в акустооптическом пеpеключателе каналов ВОСПИ // Техника сpедств связи. Сер. ТПС. 1989. Вып. 5.
  3. Васильев Ю. Г. Двухкоординатные акустооптические переключатели // Радиотехника. 1997. № 10.
  4. Васильев Ю. Г. Микрооптические спектральные акустооптические устройства доступа для волоконно-оптических систем передачи // Радиотехника. 1999. № 9.
  5. Васильев Ю. Г. Оптоэлектронные микрооптические устройства коммутации // Электротехника, электроэнергетика, электроника. Доклады юбилейной научно-техн. конф. СПб.: СЗПИ, 2000.
  6. Vasilev Y. G. Microoptical Сommutation Devices for Microsistem Technique. Тезисы докладов междунар. научно-техн. конф. «СЕНСОР-2000». СПб., 2000.
  7. Васильев Ю. Г., Камышев А.Л. Исследование акустооптического коммутатора в составе волоконно-оптического тракта системы контроля и управления энергетическими объектами / Мат-лы науч. конф. Часть 1. СПб.: СЗТУ, 2003.
  8. Васильев Ю. Г. Спектральное оптическое устройство доступа в канал передачи ВОСПИ на основе градиентных микролинз //Компоненты и технологии. 2007. № 7.
  9. Васильев Ю. Г. Использование градиентных микролинз для соединения оптических элементов // Компоненты и технологии. 2007. № 10.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке