ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК H04B10/12 

В построенных на одномодовых световодах двунаправленных системах связи источник (источники) света можно иметь на одном конце световодной линии связи, а оптический модулятор и средства отражения на другом ее конце.

Оптический модулятор (интенсивности) может быть выполнен на управляемом оптическом направленном ответвителе. Такой ответвитель имеет два подобных оптических полосковых волновода, представляющих собой полученные диффузией в подложке (например, титана в ниобат лития) узкие тонкие полоски, которые имеют больший оптический коэффициент преломления, чем подложка, и которые на определенной длине (на расстоянии обычно 5 мк) проходят рядом друг с другом так, что оптические поля проводимых полосковыми оптическими световодами световых волн перекрываются и периодически с так называемой длиной связи повторяются, световая энергия передается с одного полоска на другой;между полосковыми световодами и рядом с ними предусмотрены электроды, и созданные между этими электродами внешние электрические поля приводят к изменениям коэффициента преломления (электрооптический эффект), скорости распространения и рассеяния, а следовательно, к изменениям передачи световой энергии.

Целью изобретения для световодной двунаправленной системы связи с одним источником света на одном конце световодной линии является целесообразное построение отражательного передающего и приемного устройства.

В этой связи для двунаправленной системы световодной связи с одним, предпочтительно лазерным, источником света на одном конце световода, уже предлагался отражательный передатчик, образованный подключенным ко входу-выходу световода располовиненным управляемым оптическим направленным ответвителем, оба полосковых световода которого закончены полупроницаемым зеркалом, а управляющие электроды несут передаваемый сигнал, причем позади полупроницаемого зеркала может быть предусмотрен принимающий с обоих полосковых световодов световой приемный сигнал оптоэлектрический преобразователь (патент ФРГ N 3725479, кл. Н 04 В 9/00, 1989).

Изобретение показывает особо целесообразное построение отражательного передающего и приемного оптического устройства.

Изобретение относится к отражательному передающему и приемному устройству для двунаправленной световодной системы связи с одним, предпочтительно лазерным, источником света, расположенным на одном конце световода. Это отражательное передающее и приемное устройство по изобретению отличается тем, что позади обращенного от световода второго полупрозрачного зеркала управляемого электрически интегрально-оптического резонатора Фабри-Перо, который на первом образованном первым полупрозрачным зеркалом входе-выходе соединен со световодом и на управляющие электроды которого подается передаваемый сигнал, предусмотрен нагружаемый через полосковый световод принимаемым световым сигналом оптоэлектрический преобразователь.

Известно применение для измерения длин резонаторов Фабри-Перо, или интерферометров Фабри-Перо, которые содержат два параллельных отражателя (зеркала), между которыми свет отражается туда и обратно, причем, по меньшей мере, одно из зеркал является полупрозрачным, так что свет может пройти насквозь, причем при измерении длин, по меньшей мере, один из отражателей выполняется подвижным, и расстояние между отражателями связано с подлежащей измерению длиной или изменением длины, так что пропускание света является периодической функцией расстояния между рефлекторами (выложенная заявка ФРГ N 3044183).

Следует заметить, что также известно выполнение электрооптического модулятора Фабри-Перо в виде отражательного модулятора.

В отражательном передатчике интегрально-оптическая схема состоит из линейного участка световода и двух полированных торцевых поверхностей с покрытием, поэтому для его изготовления не предъявляются высокие требования к фотолитографии, расход места и материалов мал, для изготовления используется существующая технология интегрально-оптических фазовых модуляторов, причем если антирефлексное облагороживание торцевых поверхностей заменить отражающим слоем, значительно удешевится производство отражательного передатчика по изобретению.

Преимуществом далее является то, что для переключения отражательного передатчика из состояния максимального отражения в состояние максимального пропускания для волн ТЕ можно использовать управляющие напряжения до 3В, даже если кроме электрической применяется температурная стабилизация рабочей точки (с помощью элемента Пельтье), то нужны лишь небольшие токи, так как в отражательном передатчике по изобретению не возникает существенной электрической рассеиваемой мощности.

На чертеже дана структурная схема заявляемого устройства.

Устройство содержит источники света 1, отражательный модулятор 2, двунаправленную световодную линию 3, управляющие электроды 4, оптоэлектрический преобразователь 5, полосковый световод 6, полупрозрачные зеркала 7, 8.

Световод 6 может быть составной частью двунаправленной световодной системы связи и, как это также показано на фиг.1, на одном конце имеет передатчик с электрооптическим преобразователем, например лазерным диодом 1, и приемник с оптико-электрическим преобразователем 9, например pin-диодом, которые через разделитель лучей 10 связаны со световодом 3. На другом конце двунаправленная световодная система связи не имеет источника света в качестве передатчика, а имеет отражательный передатчик, образованный интегрально-оптическим резонатором Фабри-Перо, который может модулироваться сигналом, подводимым к указанному концу двунаправленной световодной системы связи.

Электрически управляемый интегрально-оптический резонатор Фабри-Перо FPR (фиг. 2) имеет выполненный диффузией в подложке, например, из ниобата лития, линейный оптический одномодовый полосковый световод 6, при этом торцевые поверхности S₁, S₂ кристалла LiNBO₃ перпендикулярно световоду 6 доведены до оптического качества полировкой и снабжены полупрозрачным диэлектрическим зеркальным слоем. Оптический волновод SL и зеркальные торцевые поверхности S₁, S₂ образуют оптический резонатор. Одно полупрозрачное зеркало S₁ образует вход-выход, которым интегрально-оптический резонатор FPR подключен к световоду 3, позади другого полупрозрачного зеркала S₂ расположен выполненный, например, на pin-диоде оптоэлектрический преобразователь 5, работающий как приемник. Параллельно линейному полосковому световоду SL нанесены осаждением из пара металлические управляющие электроды 4, например, из алюминия. Подавая на них электрическое напряжение, можно за счет электрооптического эффекта изменять коэффициент преломления кристалла из ниобата лития и этим оптическую длину пути между обеими зеркальными поверхностями на торцах S₁, S₂ резонатора FPR. Эти электроды 4 получают сигнал, передаваемый по световоду, например 140 Мбит/с.

В резонаторе или интерферометре Фабри-Перо FPR на каждой торцевой поверхности S₁, S₂ (в зависимости от коэффициента отражения напыленной зеркальной поверхности) отражается часть приходящей световой волны, а остальная часть пропускается. Позади торцевых поверхностей S₁, S₂амплитуды прямо пропущенной волны накладываются на амплитуды таких пасек волн, которые до этого однократно или многократно отразились от зеркальных поверхностей. В зависимости от относительной фазы при этом происходит либо взаимная компенсация (деструктивная интерференция), либо взаимное сложение (конструктивная интерференция) накладывающихся друг на друга волн.

Если, например, оптическая длина пути между зеркальными поверхностями на торцах S1, S2 точно соответствует целому четному числу четвертей длин волн используемого света, то проходящий в прямом направлении от световода к оптоэлектронному преобразователю 5 свет претерпевает конструктивную интерференцию, в результате чего свет обратно в световод не отражается; в идеальном случае резонатора без потерь (никаких потерь ни на распространение в световоде, ни на рассеяние в зеркалах) весь свет будет пропущен насквозь.

Если оптическая длина пути между зеркалами S1, S2 точно равна нечетному целому числу четвертей длин волн, то в прямом направлении происходит взаимное уничтожение световых волн, а для обратного направления к световоду 3 конструктивная интерференция, так что максимальное количество света попадает обратно на световод 3.

Показанный схематично на чертеже отражательный или рефлекторный передатчик работает тогда следующим образом.

Приходящий с другой стороны световодной системы связи через одномодовый световод 3 световой сигнал (например, с частотой 680 Мбит/с), предпочтительно с низким коэффициентом модуляции (10%) поступает на вход-выход зеркала 7 с интенсивностью, соответствующей коэффициенту прозрачности торцевой поверхности, в полосковый световод 6, а часть, соответствующая коэффициенту прозрачности полупрозрачного зеркала 8, равному, например, 10% проходящего в полосковом световоде 6 света, проходит через полупрозрачное зеркало 8 насквозь и попадает в находящийся позади оптоэлектрический преобразователь 5.

Не попавшая на преобразователь 5 часть света, соответствующая коэффициенту отражения полупрозрачного зеркала 8, равному, например, 40% распространяющегося в полосковом световоде 6, отражается полупрозрачным зеркалом 8 и попадает обратно на полупрозрачное зеркало 7, чтобы там опять частично пройти, а частично отразиться, и для отраженного таким образом света эти процессы многократно повторяются.

При этом приложенное к электродам 4 напряжение передаваемого сигнала вызывает изменение интерференции пропущенных зеркалом 7 световых волн, равносильное модуляции по интенсивности (с высоким коэффициентом модуляции, например 100% ), которые через вход/выход полоскового световода, вновь попадают обратно в световод 3, где затем распространяются в обратном направлении к другому концу световодной системы связи. В зависимости от мгновенного значения передаваемого сигнала при конструктивной интерференции свет с максимальной интенсивностью передается по световоду 3 обратно, а при деструктивной интерференции возможно полное гашение света.

В резонаторе без потерь при изменении оптической длины пути между зеркалами 7, 8 получаются максимумы отражения или максимумы пропускания, которые выражены тем резче, чем выше коэффициент отражения используемых зеркал. Оптимальный размах модуляции получается в этом случае при наибольшем возможном коэффициенте отражения торцевых поверхностей, покрытых зеркальным слоем (R ≈100%).

Вследствие потерь распространения световой волны в световоде из титана в субстрате из ниобата лития ( α ≈ 0,2 дБсм^-1) и потерь рассеяния на зеркальных торцевых поверхностях 7,8 на практике резонатор всегда имеет потери. При потерях порядка 15% на каждой зеркальной поверхности максимальный коэффициент модуляции можно получить при коэффициенте отражения порядка 40%
Чтобы достичь независимости от направления поляризации поступающего по световоду света для подложки из ниобата лития выбирается специальный срез кристалла ниобата лития, в котором заключены полосковые световоды 6, при котором получаются одинаковые электрооптические коэффициенты для волн ТЕ и ТМ.

Предпочтительный пример исполнения интегрально-оптического отражательного приемопередающего блока по изобретению имеет следующие параметры:
Строительная длина примерно 15 мм
Общие потери примерно 15% на поверхность
Срез кристалла вдоль кристаллографической оси Х
Световоды вдоль кристаллографической оси Y
Коэффициент отражения зеркал примерно 40%
Напряжение сигнала передачи ≅ 3В.

Пропускаемая оптическая мощность 10-56% подводимой оптической мощности в зависимости от приложенного напряжения сигнала передачи.

Отражаемая оптическая мощность: 0-46% подводимой оптической мощности в зависимости от приложенного напряжения сигнала передачи.

Рабочая точка блока отражательного передатчика может подбираться наложением постоянного напряжения на напряжение сигнала передачи. Так как вызываемая напряжением сигнала передачи амплитудная модуляция отражаемого к световоду 3 света также проникает в попадающий на оптоэлектрический преобразователь 5 оптический сигнал, можно использовать часть принимаемого абонентом сигнала, чтобы через схему регулирования стабилизировать оптимальную рабочую точку резонатора FPR. Если узел подвержен большим температурным колебаниям, рабочую точку узла можно также стабилизировать комбинированным температурным и электрическим регулятором. При этом электронный регулятор может компенсировать быстрые изменения и помехи, а температурный регулятор (посредством элемента Пельтье) компенсирует дрейф за большие интервалы времени.

Для двунаправленной передачи информации по световоду скорости передачи данных для обоих направлений передачи должны заметно отличаться одна от другой, чтобы можно было устранить взаимные влияния между прямым и обратным каналами с помощью электронной фильтрации.

Эта предпосылка выполняется, например, в абонентском отводе широкополосной системы связи (со службой распределения). Лазерный передатчик на станции посылает сигнал 680 Мбит с коэффициентом модуляции 10% через одномодовый световод 3 сквозь резонатор Фабри-Перо FPR к оптическому приемному элементу преобразователя 5 абонента. В зависимости от приложенного к резонатору Фабри-Перо FPR абонентского сигнала передачи от 10 до 56% попадающей на резонатор Фабри-Перо мощности попадает на оптоэлектрический преобразователь 5 абонента. Для передачи информации от абонента к станции резонатор Фабри-Перо FPR коммутируется между отражающим и пропускающим состояниями, так что отраженный к станции свет имеет частоту передачи 140 Мбит при коэффициенте модуляции примерно 100% на который идущий в противоположном направлении в системе световодной двунаправленной связи и принимаемый световой сигнал предпочтительно низкого коэффициента модуляции наложен в виде незначительной высокочастотной помехи.

Сущность изобретения: двусторонняя световодная система с одним предпочтительно источником света на одном конце световода 3 предусматривает на другом конце световода отражательный модулятор 2, который образован электрически управляемым интегрально-оптическим резонатором Фабри Перо, полосковый световод 6 которого соединен с двумя полупрозрачными зеркалами 7, 8 и управляющие электроды которого запитаны передаваемым сигналом. Позади обращенного от световода полупрозрачного зеркала предусмотрен запитываемый от полоскового световода 6 принимаемым световым сигналом оптоэлектрический преобразователь 5. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО для одного конца двунаправленной световодной системы связи с предпочтительно выполненным в виде лазера источником света, только на другом конце световода содержащее отражательный модулятор, управляющие электроды которого соединены с источником сигнала передачи, а также оптоэлектрический преобразователь, вход которого соединен с отражательным модулятором, отличающееся тем, что отражательный модулятор выполнен в виде электрически управляемого интегрально-оптического резонатора Фабри Перо, внутри которого расположены полосковый световод и полупрозрачные зеркала, причем одно полупрозрачное зеркало соединено со световодом, а другое полупрозрачное зеркало соединено с входом оптоэлектрического преобразователя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрически управляемый интегрально-оптический резонатор Фабри Перо образован диффундированием в подложку из ниобата лития линейным полосковым световодом с полупрозрачными зеркальными торцевыми поверхностями, а параллельно полосковому световоду расположены управляющие электроды.