МНОГОКАСКАДНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК G02B6/27 G02F1/95 

Настоящее изобретение относится к многокаскадному комбинированному оптическому устройству, используемому между волоконными световодами, для распространения передаваемого светового излучения в одном направлении, блокировки распространения светового излучения в противоположном направлении и разделения мощности падающего светового излучения, а более конкретно к многокаскадному комбинированному оптическому устройству, имеющему такой усовершенствованный узел, как вентиль - ответвитель - фотодиод, который может функционировать как множество оптических вентилей и может регистрировать мощность падающего светового излучения при использовании одного оптического вентиля.

Обычно многокаскадное комбинированное оптическое устройство содержит оптический вентиль с использованием мод поляризации для блокировки обратного пучка лучей и первый и второй коллиматоры, расположенные около светоприемной и светоизлучающей плоскостей оптического вентиля, для фокусировки света, падающего на первый волоконный световод и выходящего из второго волоконного световода.

Известный оптический вентиль с использованием мод поляризации, расположенный на пути светового излучения между двумя волоконными световодами, пропускает прямые лучи и блокирует обратные лучи.

По этой причине оптический вентиль состоит из первого поляризатора, имеющего форму клина из двоякопреломляющего кристалла, вращатель Фарадея и второй поляризатор. Поэтому световое излучение, распространяющееся в прямом направлении, т.е. лучи, проходящие последовательно от первого поляризатора к вращателю Фарадея и к второму поляризатору, разделяются на обыкновенные лучи и необыкновенные лучи при прохождении через первый и второй поляризаторы, чтобы затем направиться к волоконным световодам. В этом случае разность световых путей обыкновенного луча и необыкновенного луча определяется как блуждание. Если блуждание большое, образуется временная задержка между обыкновенным лучом и необыкновенным лучом, которая приводит к дисперсии мод поляризации.

Для решения вышеописанной проблемы заявитель настоящего изобретения предложил оптический вентиль с использованием мод поляризации, который обеспечивает возможность уменьшения блуждания без дополнительных оптических элементов, см. заявку N 9710814.6 на патент Великобритании.

Предложенный оптический вентиль рассчитан на подавление распространения обратного луча вследствие разности путей распространения прямого луча и обратного луча и предназначен для передачи канального сигнала, т.е. одного светового сигнала. Поэтому в оптическом усилителе, к примеру в усилителе на оптическом волокне, легированном эрбием, необходимо предусматривать отдельный оптический вентиль для управления падающим светом, содержащим информацию, в направлении распространения и отдельный оптический вентиль для подавления обращенного назад падающего света, проходящего к оптическому волокну, легированному эрбием, что препятствует изготовлению компактного оптического усилителя.

Кроме того, для регистрации мощности оптического излучения падающего пучка лучей на входе оптического вентиля устанавливают ответвитель для передачи большей части падающих лучей и отражения их долей и фотоприемник для приема светового излучения, отраженного от ответвителя.

В основу настоящего изобретения положена задача создания многокаскадного комбинированного оптического устройства для реализации двухканальной структуры, посредством которой обратное распространение, по меньшей мере, двух пучков лучей может подавляться.

Соответственно для решения вышеуказанной задачи предусмотрено многокаскадное комбинированное оптическое устройство, содержащее первый коллиматор для коллимирования пучка лучей, испускаемых из первого волоконного световода, оптический вентиль, имеющий первый поляризатор для передачи с двоякопреломлением падающего луча в обыкновенный луч и в необыкновенный луч, вращатель Фарадея для передачи с поворотом падающего луча и второй поляризатор для передачи с обращением обыкновенного луча и необыкновенного луча, расположенные последовательно на оптическом пути, второй коллиматор для фокусировки света, прошедшего через второй поляризатор, на второй волоконный световод, третий коллиматор, обращенный к светоприемной плоскости первого поляризатора и установленный в положении, отличном от положения первого коллиматора, для фокусировки пучка лучей, испускаемых из третьего волоконного световода, и четвертый коллиматор, обращенный к светоизлучающей плоскости первого поляризатора и установленный в положении, отличном от положения второго коллиматора, для фокусировки пучка лучей, испускаемых из третьего коллиматора сквозь оптический вентиль, на четвертый волоконный световод.

Вышеуказанные задачи и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при подробном описании его предпочтительного варианта осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - оптическая схема многокаскадного комбинированного оптического устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 - схематичный вид в поперечном сечении, иллюстрирующий соединение между стеклянной манжетой и коллиматором;
фиг. 3 - оптическая схема многокаскадного комбинированного оптического устройства в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 - оптическая схема многокаскадного комбинированного оптического устройства в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Обратимся к фиг. 1, на которой показано многокаскадное комбинированное оптическое устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, расположенное на оптических путях между волоконными световодами 10, 20, 30 и 40, на протяжении от первого до четвертого, для передачи световых сигналов. Многокаскадное комбинированное оптическое устройство передает пучки лучей, испускаемых из первого и третьего волоконных световодов 10 и 30, соответственно ко второму и четвертому волоконным световодам 20 и 40 в соответствии с модой поляризации падающего пучка лучей, и подавляет прохождение пучков лучей, испускаемых из второго и четвертого волоконных световодов 20 и 40, по направлению к первому и третьему волоконным световодам 10 и 30.

Для этого многокаскадное комбинированное оптическое устройство содержит первый и третий коллиматоры 51 и 55 для фокусировки первого и второго падающих пучков лучей I и II, переданных из первого и третьего волоконных световодов 10 и 30, оптический вентиль 60, а также второй и четвертый коллиматоры 53 и 57 для фокусировки лучей, испускаемых из оптического вентиля 60, на второй и четвертый волоконные световоды 20 и 40.

Первый и третий коллиматоры 51 и 55 расположены по разные стороны относительно светоприемной плоскости оптического вентиля 60 и фокусируют пучок лучей, испускаемых из первого волоконного световода 10, для образования коллимированного света.

В данном случае первый и третий коллиматоры 51 и 55 установлены в разных положениях относительно светоприемной плоскости 61 "а" оптического вентиля 60 и предотвращают взаимодействие друг с другом первого и второго падающих пучков лучей I и II, проходящих от соответствующих коллиматоров 51 и 55.

Оптический вентиль 60 содержит первый поляризатор 61 для пропускания с двоякопреломлением первого и второго падающих пучков лучей I и II, вращатель 63 Фарадея для передачи с поворотом падающих лучей и второй поляризатор 65 для пропускания с обращением падающих обыкновенного луча и необыкновенного луча, причем эти элементы расположены последовательно на оптическом пути. В данном случае первый поляризатор 61 имеет форму клина из двоякопреломляющего кристалла, разделяет первый падающий луч I на первый и второй лучи I' и I'', а также разделяет второй падающий луч II на третий и четвертый лучи II' и II''. Первый и третий лучи I' и II'' являются обыкновенными лучами, преломленными в соответствии с показателем n_o обыкновенного преломления первого поляризатора 61, а второй и четвертый лучи I' и II'' являются необыкновенными лучами, преломленными в соответствии с. показателем n_e необыкновенного преломления первого поляризатора 61.

Первый поляризатор 61 имеет заранее заданную оптическую ось кристалла, первый и третий лучи I' и II'' имеют направления поляризации, параллельные оптической оси кристалла первого поляризатора 61, а второй и четвертый лучи I'' и II'' имеют направления поляризации, нормальные к оптической оси кристалла.

Вращатель 63 Фарадея поворачивает направление поляризации падающего луча на заранее заданную величину и передает луч.

Второй поляризатор 65 имеет форму клина из двоякопреломляющего кристалла, аналогичную форме поляризатора 61, и имеет другую оптическую ось кристалла, отличающуюся от оптической оси первого поляризатора 61. Другими словами, оптическая ось кристалла второго поляризатора 65 повернута на заранее заданный угол в противоположном направлении от поворота поляризации, обеспечиваемого вращателем 63 Фарадея относительно оптической оси кристалла первого поляризатора 61.

Поэтому первый и третий лучи I' и II'', вышедшие из второго поляризатора 65, оказываются преобразованными в необыкновенные лучи, и второй и четвертый лучи I" и II'' оказываются преобразованными в обыкновенные лучи.

Первый и второй поляризаторы 61 и 65 расположены осесимметрично вокруг вращателя 63 Фарадея и имеют формы клиньев, нижние плоскости которых являются более широкими, чем верхние плоскости.

Второй коллиматор 53 обращен к светоизлучающей плоскости 65a оптического вентиля 60 и фокусирует первый и второй лучи I' и I'', испускаемые из оптического вентиля 60, на второй волоконный световод 20. Четвертый коллиматор 57 обращен к светоизлучающей плоскости 65a оптического вентиля 60 и фокусирует третий и четвертый лучи II' и II'', испускаемые из оптического вентиля 60, на четвертый волоконный световод 40. В данном случае второй и четвертый коллиматоры 53 и 57 находятся в различных относительных положениях, вследствие чего они могут фокусировать соответственно первый и второй падающие пучки лучей I и II.

В данном случае световоды 10, 20, 30 и 40, с первого по четвертый, предпочтительно, спрямлены посредством стеклянной манжеты 70, как это показано на фигурах 1 и 2.

Кроме того, коллиматоры 51, 53, 55 и 57, с первого по четвертый, представляют собой, предпочтительно, как показано на фиг. 2, градиентные линзы 50, при этом градиентная линза 50 связана со стеклянной манжетой 70 с помощью держателя 75.

Ниже со ссылками на фигуры 1 и 2 будет описана работа многокаскадного комбинированного оптического устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Прежде всего, первый падающий пучок лучей I, прошедший через первый волоконный световод 10, фокусируется в первом коллиматоре 51 и воспринимается в светоприемной плоскости 61a первого поляризатора 61. Первый падающий луч I двоякопреломляется с образованием в соответствии с оптической осью кристалла первого поляризатора 61 первого луча I', который является обыкновенным лучом, и второго луча I'', который является необыкновенным лучом, и направляется ко второму коллиматору 53 через вращатель 63 Фарадея и второй поляризатор 65. Здесь в соответствии с направлением угла поворота поляризации во вращателе 63 Фарадея и оптической осью кристалла второго поляризатора 65 первый луч I' преобразуется в необыкновенный луч, а второй луч I'' преобразуется в обыкновенный луч. Поэтому первый и второй лучи I' и I'' падают на второй коллиматор 53, находясь параллельно друг другу, без образования разности между оптическими длинами их путей. Падающий свет распространяется от второго коллиматора 53 и фокусируется, чтобы затем выйти через второй волоконный световод 20.

Второй падающий пучок лучей II, вводимый через третий волоконный световод 30, фокусируется в третьем коллиматоре 55 и затем передается к четвертому волоконному световоду 40 через оптический вентиль 60 и четвертый коллиматор 57. Превращения второго падающего луча II, по существу, такие же, как превращения первого падающего луча I, и их подробное рассмотрение опущено.

Пучки лучей (не показанные), падающие из второго и четвертого волоконных световодов 20 и 40 на оптический вентиль 60, проходят по иным путям в отличие от путей первого и второго падающих пучков лучей I и II, вследствие чего их прохождение к первому и к третьему волоконным световодам 10 и 30 предотвращается.

Обратимся к фиг. 3, на которой показано многокаскадное комбинированное оптическое устройство в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, расположенное на оптических путях между волоконными световодами 10, 20, 30 и 40, на протяжении от первого до четвертого, для передачи световых сигналов и включающее в себя первый и второй коллиматоры 51 и 53 для фокусировки первого и второго падающих пучков лучей I и II, переданных из первого и второго волоконных световодов 10 и 20, оптический вентиль 60', третий и четвертый коллиматоры 55 и 57 для фокусировки лучей, испускаемых из оптического вентиля 60' на третий и четвертый волоконные световоды 30 и 40, и первый и второй фотоприемники 71 и 75 для приема света, отраженного от оптического вентиля 60'.

В данном случае структура коллиматоров 51, 53, 55 и 57, с первого по четвертый, и их оптическая схема являются, по существу, такими же, как в вышеописанном варианте осуществления, и их подробное рассмотрение опущено.

Оптический вентиль 60' содержит первый поляризатор 61 для пропускания с двоякопреломлением первого и второго падающих лучей I и II, вращатель 63 Фарадея для передачи с поворотом падающих лучей и второй поляризатор 65 для пропускания с обращением падающих обыкновенного луча и необыкновенного луча, а также ответвитель 67, образованный на светоприемной плоскости 61a первого поляризатора, причем эти элементы расположены последовательно на оптическом пути. Ответвитель 67 можно образовать путем нанесения материала, имеющего заранее определенную отражательную способность, например материала, который может пропускать большую часть падающих пучков лучей, а доли их может отражать, используя для этого известный способ, например химическое осаждение из паровой фазы или распыление.

Ответвитель 67 передает большую часть первого и второго падающих пучков лучей I и II, испускаемых из первого и второго волоконных световодов 10 и 20, и отражает доли их. Первый и второй падающие пучки лучей I и II, отраженные ответвителем 67, попадают на первый и второй фотоприемники 71 и 75.

В данном случае структуры первого и второго поляризаторов 61 и 65 и вращателя 63 Фарадея и их оптическая схема являются, по существу, такими же, как в вышеописанном варианте осуществления, и их подробное рассмотрение опущено.

Соответствующие пучки лучей, отраженных ответвителем 67, принимаются первым и вторым фотоприемниками 71 и 75. С помощью первого и второго фотоприемников 71 и 75 определяется мощность оптического излучения световых сигналов, прошедших из всего падающего света через первый и второй волоконные световоды 10 и 20, по которой можно найти коэффициент усиления световых сигналов, прошедших через определенный оптический усилитель (не показанный).

Креме того, как показано на фиг. 4, пятый и шестой коллиматоры 73 и 77 для фокусировки падающих пучков лучей и повышения эффективности регистрации света можно дополнительно предусмотреть на оптическом пути (оптических путях) между ответвителем 67 и первым фотоприемником 71 и/или между ответвителем 67 и вторым фотоприемником 75.

Теперь со ссылкой на фиг. 3 будет описана работа многокаскадного комбинированного оптического устройства в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Прежде всего, первый падающий пучок лучей I, прошедший через первый волоконный световод 10, фокусируется в первом коллиматоре 51 и затем падает на ответвитель 67. Ответвитель 67 передает большую часть падающего пучка лучей по направлению к первому поляризатору 61 и отражает доли пучка лучей к первому фотоприемнику 71. Первый фотоприемник 71 регистрирует мощность оптического излучения пучка лучей, прошедших через волоконный световод 10. Первый падающий луч I, принятый в первом поляризаторе 61, направляется к третьему коллиматору 55 через вращатель 63 Фарадея и второй поляризатор 65 в соответствии с оптической осью кристалла первого поляризатора 61 в режиме двоякопреломления в первый луч I', который является обыкновенным лучом, и во второй луч I", который является необыкновенным лучом. Здесь в соответствии с направлением угла поворота поляризации во вращателе 63 Фарадея и оптической осью кристалла второго поляризатора 65 первый луч I' преобразуется в необыкновенный луч, а второй луч I'' преобразуется в обыкновенный луч. Поэтому два луча I' и I'' падают на третий коллиматор 55, находясь параллельно друг другу, без образования разности между оптическими длинами их путей. Падающий свет проходит третий коллиматор 55, чтобы затем выйти через третий волоконный световод 30.

Второй падающий пучок лучей II, принятый через второй волоконный световод 20, фокусируется во втором коллиматоре 53 и падает на ответвитель 67. Большая часть пучка лучей проходит через ответвитель 67, а некоторая часть пучка лучей отражается от него и затем попадает на второй фотоприемник 75. Мощность оптического излучения света, излученного из второго волоконного световода 20, можно найти по световому излучению, зарегистрированному вторым фотоприемником 75. Пучки лучей, прошедших через ответвитель 67, распространяются по направлению к четвертому волоконному световоду 40 через первый поляризатор 61, вращатель 63 Фарадея, второй поляризатор 65 и четвертый коллиматор 57.

Как описано выше, многокаскадное комбинированное оптическое устройство в соответствии с настоящим изобретением при использовании одного оптического вентиля позволяет осуществлять управление направлением распространения первого и второго падающих пучков лучей. Следовательно, поскольку необходим только один оптический вентиль при использовании многокаскадного комбинированного оптического устройства в оптическом усилителе, обычно нуждающемся в двух оптических вентилях, можно получить простую оптическую схему. Кроме того, уменьшается число элементов и повышается экономичность производства.

К тому же мощность оптического излучения световых сигналов, прошедших через два волоконных световода, можно регистрировать, образуя ответвитель на светоприемной плоскости поляризации.

Устройство используется в волоконно-оптических системах связи, в том числе с оптическими усилителями. Устройство содержит оптический вентиль, включающий вращатель Фарадея, установленный между двумя поляризаторами. С наружной стороны каждого поляризатора расположены по два световода. Между каждым световодом и соответствующим поляризатором расположены коллиматоры. На светоприемной поверхности первого поляризатора выполнен ответвитель. Первый и второй фотоприемники используются для приема соответственно первого и второго отраженных от ответвителя пучков, выходящих соответственно из входных первого и второго световодов. Третий и четвертый световоды являются выходными. Обеспечена простота и экономичность многокаскадного устройства за счет использования для двух пучков света одного оптического вентиля. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многокаскадное комбинированное оптическое устройство, содержащее оптический вентиль, имеющий первый поляризатор для передачи с двоякопреломлением падающего луча в обыкновенный луч и необыкновенный луч, вращатель Фарадея для передачи с поворотом падающего луча и второй поляризатор для передачи с обращением обыкновенного луча и необыкновенного луча, расположенные последовательно на оптическом пути, первый коллиматор для коллимирования пучка лучей, испускаемых из первого волоконного световода, второй коллиматор для фокусировки света, прошедшего через второй поляризатор, на второй волоконный световод, третий коллиматор, обращенный к светоприемной плоскости первого поляризатора и установленный в положении, отличном от положения первого коллиматора, для коллимирования пучка лучей, испускаемых из третьего волоконного световода, и четвертый коллиматор, обращенный к светоизлучающей плоскости второго поляризатора и установленный в положении, отличном от положения второго коллиматора, для фокусировки пучка лучей, испускаемых из третьего коллиматора сквозь оптический вентиль, на четвертый волоконный световод, отличающийся тем, что содержит ответвитель, образованный на светоприемной плоскости первого поляризатора, обращенной к первому коллиматору, первый фотоприемник для приема первого падающего пучка лучей, отраженных от ответвителя, и регистрации мощности оптического излучения первого падающего пучка лучей, второй фотоприемник для приема второго падающего пучка лучей, отраженных от ответвителя, и регистрации мощности оптического излучения второго падающего пучка лучей. 2. Многокаскадное комбинированное оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит коллиматор для фокусировки падающих пучков лучей на первый и/или второй фотоприемники на оптическом пути между ответвителем и первым фотоприемником и/или между ответвителем и вторым фотоприемником. 3. Многокаскадное комбинированное оптическое устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что первый и второй поляризаторы имеют форму клина из двоякопреломляющего кристалла, нижняя плоскость которого шире, чем верхняя плоскость, и находятся осесимметрично друг с другом относительно вращателя Фарадея. 4. Многокаскадное комбинированное оптическое устройство по любому из пп. 1 - 3, отличающееся тем, что стеклянная манжета для спрямления волоконных световодов с первого по четвертый предусмотрена на их концах. 5. Многокаскадное комбинированное устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что коллиматоры с первого по четвертый выполнены соответственно в виде градиентных линз.