СПЕКТРАЛЬНЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬ-ДЕЛИТЕЛЬ КАНАЛОВ С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ Российский патент 1994 года по МПК G02B6/34 G02B27/42 

Изобретение относится к связи и может найти применение в системе оптической связи со спектральным разделением каналов.

Спектральное разделение каналов позволяет более полно использовать оптическую полосу пропускания световодов. При этом по одному волоконному световоду одновременно передается несколько сигналов, использующих различные несущие оптические частоты (длины волн). На передающем и приемном концах, а также на регенераторах таких линий размещаются спектральные уплотнители и делители каналов, задачей которых является соответственно сведение различных спектральных несущих в один световод и их выделение из световода.

Большая часть спектральных уплотнителей и делителей каналов изготавливается на основе дифракционной решетки по автоколлимационной схеме [1].

Недостатком таких спектральных уплотнителей-делителей является необходимость использования сравнительного большого количества относительно сложных в изготовлении и дорогих конструкций делителей и уплотнителей.

В качестве прототипа выбран делитель, в котором торцы волоконных световодов размещены в фокальной плоскости объекта. Излучение различных оптических несущих из входного волоконного световода, пришедшего из линии, коллимируется объективом, дифрагирует на решетке и снова попадает в объектив. Поскольку после дифракции лучи, соответствующие различным несущим, идут под разными углами к оси объекта, то объектив создает на торцах разделительных световодов ряд изображений, каждое из которых образовано лучами, соответствующими только одной из несущих. Таким образом, в каждое из выходных волокон входит своя оптическая спектральная несущая, идущая на свой фотоприемник [2].

Принцип работы уплотнителя каналов и его конструкция не отличаются от схемы делителя. Необходимо лишь изменить направления распространения лучей на обратные, поэтому делитель можно использовать и как уплотнитель каналов. Функции объектива в описанной схеме заключаются в коллимации излучения, вышедшего из входного световода (или световодов в случае уплотнителя). Эти функции может выполнять не только объектив, но и любой другой фокусирующий элемент.

Общим недостатком этих схем являются высокие требования к точности установки волокон в фокальной плоскости объектива, а также необходимость использования сравнительно большого количества относительно сложных в изготовлении и дорогих конструкций делителей и уплотнителей. Так на концах линии рядом находятся две идентичные конструкции: делитель на световоде, пришедшим из линии, и уплотнитель на световоде, уходящим в линию. В регенераторе находятся рядом четыре идентичных конструкции: два делителя и два уплотнителя.

Цель изобретения - снижение требований к точности установки торцов волокон в фокальной плоскости объектива и сокращение количества этих устройств, используемых в линии связи.

Сущность изобретения заключается в том, что в спектральный уплотнитель-делитель каналов, содержащий объектив, дифракционную решетку и размещенный в фокальной плоскости объектива блок торцов волоконных световодов, введена триппель-призма, при этом дифракционная решетка размещена на одной из отражающих граней триппель-призмы, причем штрихи решетки параллельны одному из ее ребер, а в фокальной плоскости объектива размещены блоки торцов волоконных световодов, смещенных друг относительно друга.

На фиг.1 изображен предлагаемый уплотнитель-делитель.

Уплотнитель-делитель содержит объектив 1, триппель-призму 2, на одной из задних граней которой расположена (нанесена) дифракционная решетка 3, блок торцов выходных волоконных световодов 4, входной световод 5. Торцы всех волоконных световодов расположены в фокальной плоскости объектива.

На фиг.2 показано изменение хода лучей, внесенное дифракционной решеткой.

Работает уплотнитель-делитель следующим образом.

Излучение, выходящее из расположенного в фокальной плоскости объектива 1 торца входного световода 5, коллимируется объективом 1 и направляется на триппель-призму 2. На одной из задних граней триппель-призмы 2 нанесена отражающая дифракционная решетка 3. При отсутствии дифракционной решетки 3 излучение отразилось бы от триппель-призмы в том же направлении, откуда оно пришло, и после фокусировки объективом 1 попало бы на тот же торец входного световода 5, независимо от положения, которое занимает этот торец в фокальной плоскости объектива.

Изменение хода лучей, внесенное дифракционной решеткой следующее (см. фиг. 2) начало координат расположено в вершине триппель-призмы, а координатные оси Х, Y и Z направлены по ее ребрам. Тогда отражающие грани триппель-призмы совпадают с координатными плоскостями. На одной из задних граней триппель-призмы нанесена дифракционная решетка. Не нарушая общности, считаем, что это - грань Х. Штрихи на решетке расположены параллельному одному из ребер триппель-призмы. Не нарушая общности, считаем, что это - ребро Z, т.е. главное сечение решетки совпадает с гранью Z.

Луч АО, падающий на триппель-призму (см. фиг.3), задает его направляющими косинусами cosα , cos β и cos γ . Направляющий косинус луча - это косинус угла между вектором, направленным вдоль хода луча, и направлением соответствующей координатной оси - Х, Y или Z. В случае, когда координатные плоскости совпадают с отражающими плоскостями, формулы отражения в векторном виде существенно упрощаются. В частности, при отражении луча от граней Y или Z, не несущих дифракционной решетки, соответствующий направляющий косинус сохраняет свою абсолютную величину и изменяет свой знак, т.е. cos β = - cos β , или cos γ = - cos γ . Значения остальных двух направляющих косинусов вообще не изменяется.

Формулы, описывающие изменение угловых координат луча при дифракции на решетке приведены в книге Пейсахсона
sin ϕ + sin ϕ^I = K λ / (d cos ε ; ε^I = -ε ;
(1) где ϕ и ϕ^I - группы, образуемые с нормалью к решетке (осью Х) проекциями лучей падающего и дифрагировавшего пучков на главное сечение решетки (грань Z);
К - порядок дифракции; λ - длина волны излучения;
d - постоянная решетки (расстояние между ее штрихами);
ε - угол, образуемый падающим лучом АО с главным сечением решетки.

Связываем углы ϕ и ε с направляющими косинусами луча в нашей системе координат. Из фиг.3 следует, что
Cosε = AZO/AO = (т.к. cos α = AAX/AO и cos β = AYP/AO). Отсюда видно, что cos ε не зависит от знаков направляющих косинусов луча, т. е. от того, отражался ли перед этим луч от граней Y и (или) Z. Из фиг.3 также следует, что
sin ϕ = AYO/AZO = cos β /cos ε (2)
Из этой формы следует, что в зависимости от того, отражался ли луч перед приходом на дифракционную pешетку от грани Y (от знака угла β ) зависит только знак угла ϕ , т.е. знак первого слагаемого левой части формулы (1). Знак правой части этой формулы определяется знаком рабочего порядка дифракции К, который в решетке с углом блеска автоматически изменяется с изменением знака угла ϕ . Отсюда следует, что отражение от грани Y перед приходом на дифракционную решетку изменяет только знак второго слагаемого левой части формулы (1). Это, в свою очередь, приводит только к изменению знака ϕ^I , но не его абсолютной величины.

Из фиг.3 следует, что так как ε^I = - ε , то γ^I = γ
cos β^I = - BYO/BO = = -(BYO/BZO)/(BZO/BO)=cos ε ˙ sin ϕ^I
Подставляя это соотношение в (2) и (1) получаем
cos β^I = cos β + K λ /d (3)
cos α^I при отражении от дифракционной решетки, как видно из фиг.2, изменяет свой знак, а его величина определяется из соотношения
cos α^I = 1 - cos² β^I - cos²
Таким образом, после отражения от дифракционной решетки абсолютная величина всех углов наклона луча не зависит от порядка отражения от граней триппель-призмы. Различия же в знаках направляющих косинусов лучей далее устраняются, так как лучи, ранее не отражающиеся от граней Y и (или) Z, в дальнейшем отражаются от них. Поэтому после отражения от всех граней все части пучка с одной и той же длиной волны имеют одно и то же направление и, следовательно, пройдя через объектив, собираются в одной и той же точке его фокальной плоскости. Лучи с другой длиной волны собираются в другой точке, т.е. таким образом осуществляется спектральное разделение каналов.

Кроме того, появляется возможность разместить в фокальной плоскости несколько аналогичных линеек торцов волокон взаимно смещенных друг относительно друга, каждая из которых в совокупности с объективом, триппель-призмой и дифракционной решеткой независимо решает задачу разделения или уплотнения спектральных каналов, т.е. одно устройство выполняет одновременно функции нескольких уплотнителей и делителей каналов и может использоваться вместо нескольких отдельных устройств.

Использование: в связи, а именно в системе связи со спектральным разделением каналов. Сущность изобретения: спектральный уплотнитель-делитель каналов содержит объектив, дифракционную решетку, блок торцов волоконных световодов, размещенный в фокальной плоскости объектива, триппель-призму, на одной из задних граней которой размещена дифракционная решетка, при этом блоки торцов волоконных световодов смещены друг относительно друга, а штрихи решетки параллельны одному из ребер триппель-призмы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬ-ДЕЛИТЕЛЬ КАНАЛОВ С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ, содержащий объектив, дифракционную решетку типа эшелет и размещенный в фокальной плоскости объектива блок торцов волоконных световодов, отличающийся тем, что в него дополнительно введена триппель-призма, при этом дифракционная решетка размещена на одной из отражающих граней триппель-призмы, причем штрихи решетки параллельны одному из ребер триппель-призмы. 2. Уплотнитель-делитель по п.1, отличающийся тем, что в него введены несколько дополнительных блоков торцов волоконных световодов, размещенных в фокальной плоскости объектива со смещением друг относительно друга.