Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №4

Потери в микрооптическом переключателе оптических каналов

Васильев Юрий


Перспективы развития волоконно-оптических систем передачи инфорации (ВОСПИ) зависят от уровня разработок оптических коммутационных устройств. В работе [1] описан принцип работы микрооптических двухкоординатных акустооптических переключателей (ДАОП), использующих с целью миниатюризации в качестве коллиматорующей и фокусирующей оптической системы две стержневые градиентные линзы типа «градан», состыкованные с входным и выходными оптическими волокнами (ОВ) каналов. На рис. 1 изображена схема микрооптических двухкоординатных акустооптических переключателей.



Рис. 1. Схема ДАОП: 1, 2— соответственно ОВ входного оптического канала и коллиматорный градан; 3— двухкоординатная акустооптическая ячейка (ДАОЯ); 4, 5— соответственно фокусирующий градан и ОВ выходных оптических каналов; l— длина области акустооптического взаимодействия; Δ — зазор между граданами и ДАОЯ

Коллиматорный 2 и фокусирующий 4 граданы расположены на одной оптической оси, проходящей через звукопровод ДАОЯ 3. Для засветки области акустооптического взаимодействия световым пучком под углами Брэгга ОВ 1 стыкуется с торцом градана 2 со сдвигом относительно его оси. ОВ 5 стыкуются с торцом градана 4 также на удалении от оси для фокусировки дифрагированного светового пучка, излучаемого ОВ 1, на торце одного из ОВ 5, в зависимости от переключения в тот или иной выходной оптический канал.

Одним из основных параметров ДАОП являются вносимые оптические потери. В работе [2] представлены результаты расчетов потерь ДАОП с учетом акустического затухания и структуры светового пучка.

Однако на этот параметр существенное влияние оказывает зазор Δ между граданом и двухкоординатной акустооптической ячейкой (ДАОЯ), а также взаимное смещение центра светового пучка, излучаемого граданом 2, от оси фокусирующего градана 4 и расходимость светового пучка. Учет этих факторов позволит более точно рассчитывать оптические потери ДАОП и разрабатывать конструкцию переключателя с целью уменьшения суммарных вносимых оптических потерь в тракт передачи ВОСПИ. Данная статья является продолжением работы автора [2] и уточняет вносимые оптические потери, создаваемые переключателем.

Рассмотрим распространение световых лучей, излучаемых оптическим ОВ 1, состыкованным с торцом градана 2 в точке с координатами 1 = r0×cos k; 1 = r0 sin k и лежащих в плоскости Н, которая проходит через оптическую ось градана и наклонена к горизонтальной плоскости (ξ, z) под углом k. Численная апертура ОВ обозначается через (NA). Найдем координаты ( 1, 1) точки стыковки, рассматривая распространение в градане трех световых лучей, вводимых из ОВ в градан 2 под следующими к оси градана углами: Θ0 = 0 — нулевой луч, Θ1 = arcsin [NA/n(r0)]— первый луч и Θ2 = –Θ0 — второй луч. Показатель преломления градана в точке r0 рассчитывается по формуле:

где n0 — показатель преломления на оси градана; g — постоянная градана.

При малых углах Брэгга смещения 1 и 1 относительно оси градана также малы, поэтому для определения траектории i-го светового луча (i = 0, 1, 2) можно использовать уравнения [1, 3] меридианальных пучков:

где ρi и Ψi — соответственно координата и угол выхода i-го светового луча из градана длиной z; Ω = g [1–(g×r0)2]1/2 — постоянная распространения.

Длины 2 и 4 граданов в ДАОП выбирают- ся [1, 3] равными четверти периода L = (π[1– –(g r0)2]1/2)/2g. Тогда из (2) следует, что световые лучи излучаются граданом 2 под углом:

Углы в среде с показателем преломления n1, расположенной между торцами граданов и гранями ДАЯ, обозначим *. Величины k и Ψ*0 определяются из условия, что выходной световой пучок, излучаемый коллиматорным граданом 2, распространяется под брэгговскими углами:

где λ — длина волны света в вакууме; fx и fy— частоты сигналов, возбуждающих акустические волны в звукопроводе ДАОЯ, соответственно, вдоль координат х и у ; Vx и Vy — скорость распространения соответствующих акустических волн. Тогда углы k и Ψ*0 находятся из соотношений:

Значение r0 определяется из уравнения (3), из которого при выполнении уравнения Снелиуса (n0 sinΨ0 = n1 sinΨ*0) получаем:

где Ψ*0 рассчитывается из (4).

Тогда координаты 1 и 1 стыковки вход- ного оптического канала с торцом градана 2 описываются выражениями:

где n1 — показатель преломления окружающей среды.

При использовании в качестве звукопровода ДАОЯ стекла ИКС-23, когда средой с показателем преломления n1 является воздух и f0 = fх = fy , а численные значения для 1 =

1 = a и r0 приведены в таблице.

Таблица. Характеристики ДАОП

Материал ДАОЯ λ, мкм f0, МГц а, мкм r0, мкм
ИКС-23 0,85 100 45 64
150 67 94
1,3 100 67 94
150 102 145

Длина фокусирующего градана 4 также выбирается равной L, поэтому центры ОВ выходных оптических каналов α, β, γ и σ располагаются на торце градана в плоскости (ξ, ζ), соответственно, в точках (– 1, – 1), (– 1, 1), ( 1, 1), ( 1, – 1). Тогда световой пучок, излучаемый коллиматорным граданом 2, переключается в ОВ выходных оптических каналов включением и выключением управляющих электрических сигналов, поступающих на ДАОЯ.

Из (1) следует, что ρ1 = –ρ2, поэтому диаметр D светового пучка составляет 2ρ1. Тогда:

Угол μ* расходимости светового пучка, засвечивающего ДАОЯ, рассчитывается из соотношения Лагранжа по формуле:

где d — диаметр световой жилы ОВ.

Оптические потери W [дБ] в ДАОП рассчитываются по формуле:

где R1 — радиус светового пучка, засвечивающего фокусирующий градан 4, δS — часть площади торца градана, засвечиваемая световым пучком, изображенным на рис. 2. При засветке возможно несколько вариантов взаимного смещения с центра светового пучка и оси фокусирующего градана: R1R0–ε (рис. 2а), ε≤R1≤ε+R0 (рис. 2б), ε–R0R1≤ε (рис. 2в) и R1R0–ε (рис. 2г), rде R0 — радиус градана; ε — расстояние между центром градана и светового пятна.



Рис. 2. Различные варианты засвечивания части площади торца градана световым пучком

Последний случай (рис. 2г) вызывает бесконечно большие потери, так как световое пятно не засвечивает градан. В остальных случаях:

  • при R1R0– ε:

  • при ε≤R1≤ε+R0:

  • при ε –R0R1≤ε:

    где c = R1/R0; b = ε/R0.

Исходя из закона Снелиуса, можно показать, что в случае fх = fy = f0 и Vx = Vy = V0 величины R1 и ε определяются по формулам:

где φ*Б = arcsin(λf0/2V0n1); φБ = arcsin(λf0/2V0n2); n2 — показатель преломления звукопровода ДАОЯ.

Численные расчеты по формулам (6, 7) были проведены для случая, когда в качестве переключаемых каналов используются ОВ с параметрами NA = 0,18, d = 50 мкм, а также четвертьпериодные граданы: L = 7 мм, n0 = 1,628, g = 0,2252 мм–1.

ДАОЯ изготовлена из стекла ИКС-23 или монокристалла ТеО2 (парателлурит), у которого две ортогональные акустические сдвиговые волны возбуждаются вдоль направлений [110] и [11- 0]. Результаты расчетов приведены на рис. 2, 3, которые соответствуют стеклу и парателлуриту при λ = 0,85 мкм.



Рис. 3. Расчетные характеристики

Кривые 1, 2 соответствуют частотам f0 = 100 МГц и f0 = 150 МГц, а сплошные и штриховые линии получены для l = 6 мм и l = 10 мм.

Зазор Δ оказывает существенное влияние на уровень вносимых оптических потерь. Поэтому для их уменьшения и большей компактности следует стыковать граданы с гранями ДАОЯ. В этом случае объем ДАОП с ДАОЯ размерами 10×10×10 мм, состыкованной с граданами длиной L = 7 мм, составит не более 2,5 мл.

Общие потери W0 ДАОП с учетом потерь δCp (ν, χ1), вызванных акустическим затуханием ν и структурой светового пучка χ1 [2], составит:

где W — потери, рассмотренные в данной статье; p = α, β, γ, σ — оптические переключаемые каналы; Cp (0, 0) — потери без учета рассмотренных в [2] и данной статье факторов.

Литература

  1. Васильев Ю. Г. Двухкоординатные акустооптические переключатели // Радиотехника. 1997. № 10.
  2. Васильев Ю. Г. Вносимые оптические потери и переходные помехи в акустооптическом переключателе каналов ВОСПИ // Компоненты и технологии. 2008. № 11.
  3. 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