ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2001 года по МПК G02F1/125 G02B6/14 

Изобретение относится к волоконной оптике и может быть использовано для создания частотно-селективных устройств с перестраиваемым спектральным диапазоном отражаемых (пропускаемых) электромагнитных волн, основанных на принципе акустооптического взаимодействия. Изобретение может быть применено для создания внешнего резонатора полупроводникового инжекционного лазера.

Известны различные виды акустооптических волоконных устройств [1, 2, 3], в которых частотно-избирательное преобразование света (как-то ослабление интенсивности, модуляция фазы, преобразование друг в друга электромагнитных мод различных поляризаций, сдвиг частоты) осуществляется за счет его интерференции на неоднородностях световода, индуцированных бегущими волнами упругих деформаций. Деформации, благодаря акустооптическому эффекту, изменяют коэффициент преломления материала волокна, что создает в волокне бегущую периодическую неоднородность. Интерференция распространяющихся вдоль оси оптоволокна мод электромагнитного поля на созданных таким образом периодических неоднородностях сильно зависит от соотношения длин волн взаимодействующих мод и периода неоднородности [1], что обеспечивает частотную селективность указанных устройств. При этом бегущие упругие волны индуцируются (обычно с помощью пьезоэлектрического преобразователя) в прямолинейном отрезке оптоволокна между прикрепленными к волокну излучателем и поглотителем.

Недостатком всех известных в настоящее время акустооптических волоконных устройств является малая длина (не более 10-20 см) акустооптического взаимодействия, определяемая затуханием упругих волн, которая обуславливает однонаправленность акустооптически связываемых электромагнитных мод, а также сравнительно широкую (порядка 1 нм) спектральную полосу взаимодействия мод. Сужение спектральной полосы взаимодействия таких устройств за счет уменьшения длины волны упругой деформации в волокне (от 100-200 м до 0,5 м) представляется малоперспективным как технически (сложность введения в волокно колебаний частотой порядка 1 ГГц и поддержание стабильности частоты с точностью до 1 кГц), так и с физической точки зрения, потому что затухание упругих волн сильно увеличивается с частотой [4, 5].

Ближайшим аналогом предлагаемого устройства является перестраиваемый волоконный акустооптический фильтр [3]. Этот фильтр представляет собой прямолинейный отрезок одномодового оптического волокна длиной 15,5 см, по которому распространяются изгибные колебания, возбуждаемые на одном конце отрезка излучателем, выполненным в виде конуса, охватывающего оптоволокно, и поглощаемые в поглотителе на другом конце. Частотно-избирательное пропускание распространяющейся вдоль оси оптоволокна моды инфракрасного света происходит из-за интерференции электромагнитных волн на периодических неоднородностях коэффициента преломления, возникающих при распространении упругой волны за счет акустооптического эффекта. В устройстве [3] использовалось симметричное двухслойное волокно с сердцевиной диаметром 8.5 мкм, частота упругих колебаний варьировалась в пределах от 1.8 до 2.8 МГц, при этом центр полосы фильтрации изменялся в диапазоне от 1450 до 1650 нм. Длина упругой волны составляла около 650 мкм на частоте 2.33 МГц. Максимальное достигнутое ослабление распространяющихся по волокну волн составило 34дБ при полуширине полосы фильтрации 2 нм.

Недостаток известного устройства состоит в ограниченных функциональных возможностях, обусловленных тем, что при малой длине (15,5 см) отрезка оптоволокна, в котором удается возбудить однородные упругие колебания, устройства работает только в режиме пропускания, причем диапазон фильтрации составляет не менее 1 - 2 нм.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей оптико-акустического частотного фильтра за счет увеличения длины акустооптического взаимодействия и области однородности упругих колебаний. Это позволит уменьшить ширину частотной полосы без увеличения управляющей акустической мощности, а также реализовать новые режимы управления распространяющимся по волокну электромагнитным излучением, в которых часть излучения отражается на 180^o.

Задача решается тем, что известный оптико-акустический частотный фильтр, содержащий отрезок оптического волокна и жестко связанные с ним излучатель и поглотитель упругих волн, в соответствии с изобретением, снабжен цилиндрической оболочкой, имеющей по крайней мере одну сквозную щель, параллельную ее оси, при этом отрезок оптического волокна или часть его размещены на поверхности упомянутой оболочки в виде механически связанной с ней обмотки, а излучатель и поглотитель упругих волн размещены на противолежащих сторонах щели.

Кроме того, цилиндрическая оболочка выполнена тонкостенной и имеет радиус, много больший длины возбуждаемой упругой волны.

Кроме того, излучатель упругих волн размещен по всей длине соответствующей стороны сквозной щели.

Кроме того, излучатель упругих волн размещен в пределах области пересечения сквозной щели оптическим волокном с возможностью охвата оптического волокна.

Кроме того, поглотитель упругих волн размещен по всей длине соответствующей стороны щели.

Кроме того, поглотитель упругих волн размещен с возможностью охвата оптического волокна.

Кроме того, излучатель упругих волн выполнен из пьезоэлектрического материала.

Кроме того, цилиндрическая оболочка выполнена из материала, обеспечивающего согласование ее импеданса с импедансом оптического волокна в заданном диапазоне частот.

Технический результат изобретения состоит в том, что однородное упругое поле создается во всем отрезке оптического волокна, намотанном полностью или частично на цилиндрическую оболочку, за счет однородности упругого поля в оболочке вне сквозных щелей, при этом наличие по крайней мере одной или нескольких сквозных щелей с поглотителем упругих волн нейтрализует резонансные свойства оболочки и отражение упругих волн от края сквозной щели, что максимально приближает волновое поле в каждом витке оптического волокна к бегущему полю в прямолинейном отрезке волокна, использованном в известных ранее акустооптических устройствах.

Так как число витков оптического волокна на оболочке не ограничено, то с помощью предлагаемого устройства однородное упругое поле может быть создано в отрезке оптического волокна произвольной длины.

Сущность изобретения заключается в следующем. В заявляемом акустооптическом волоконном устройстве упругие колебания оптического волокна возбуждаются с помощью пьезоэлектрического преобразователя в волокне, намотанном на цилиндрическую тонкостенную оболочку. При этом сквозные щели в оболочке, заполненные амортизирующим материалом - поглотителем упругих волн, например, пенополиуретаном, снижают резонансный характер возбуждения тангенциальных колебательных мод оболочки. Источник колебаний создает в оболочке и в связанном с ней механически оптическом волокне тангенциальные волны упругой деформации (продольные, поперечные или смешанные), распространяющиеся вдоль поверхности оболочки и вдоль намотанного на нее волокна в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Благодаря такой конструкции упругие колебания в волокне характеризуются высокой степенью регулярности и однородности вдоль сколь угодно большого отрезка оптического волокна, намотанного на цилиндрическую оболочку. Это позволяет, во-первых, обеспечить работу фильтра в режиме отражения, причем отраженные волны по крайней мере частично распространяются внутри волокна, и, во-вторых, уменьшить спектральную ширину фильтруемого излучения в режиме пропускания. Перестраиваемость спектральных диапазонов фильтрации осуществляется путем изменения частоты и интенсивности упругих колебаний в волокне, как и в известных аналогах. При этом выбором материалов цилиндрической оболочки 2 и оптического волокна 1, например, плавленого кварца, можно обеспечить минимальные потери энергии возбуждаемой упругой волны при переходе из цилиндрической оболочки 2 в волокно 1.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлен общий вид устройства, и фиг. 2, на которой представлено устройство в поперечном сечении.

Устройство содержит оптическое волокно 1, оболочку 2, на которую по окружности намотано и на которой закреплено оптическое волокно 1, излучатель упругих волн 3 (пьезопреобразователь) и поглотитель упругих волн 4, закрепленные вдоль соответствующих сторон сквозной щели 5, выполненной в оболочке 2. Цилиндрическая оболочка 2 выполнена тонкостенной, а ее радиус выбран таким, чтобы заведомо многократно превышать длину возбуждаемой упругой волны.

Как излучатель 3, так и поглотитель 4 упругих волн могут охватывать оптическое волокно 1 и края щели 5 там, где щель 5 скрещивается с оптическим волокном 1. На фиг. 1, 2 показано устройство, в котором излучатель упругих волн 3 размещен на одной из сторон сквозной щели 5, а поглотитель упругих волн 4 охватывает оптическое волокно 1 и другую сторону сквозной щели 5.

Устройство работает следующим образом. При приложении синусоидального электрического напряжения E к контактам излучателя - пьезопреобразователя 3 возбуждаются тангенциальные колебания цилиндрической оболочки 2, распространяющиеся вдоль ее образующей окружности. Упругие волны распространяются от излучателя 3 к поглотителю 4, в котором и поглощаются, что позволяет подавить резонансные эффекты и волну, отраженную от границы разреза. Благодаря тому, что радиус (r) цилиндрической оболочки 2 (r = 0,5-10 см) много больше длины упругой волны Л < 600 мкм и много меньше ее характерной длины затухания L < 100 см, упругие волны однородны по всей окружности цилиндрической оболочки 2, и, следовательно, по всей длине намотанного на нее оптического волокна.

В частности, если цилиндрическая оболочка выполнена тонкостенной и имеет толщину h, удовлетворяющую соотношению r/h ≥ 20, где r - радиус оболочки, то выполняется соотношение, рекомендованное в [7] и обеспечивающее пренебрежимо малое влияние кривизны оболочки на распространение изгибных волн вдоль образующей окружности оболочки.

Этим обеспечивается также однородность периодических изменений показателя преломления вдоль оси оптического волокна 1, интерференция электромагнитных волн на которых и обеспечивает их частотно-избирательное отражение.

В реальных конструкциях имеют место все виды внутренних потерь энергии (вязкие потери, механический гистерезис, релаксация деформации и напряжения), величина которых определяется видом материала и конструкции (сплошная или тонкостенная), частотным диапазоном волн и видом колебаний [8]. Потери энергии в колеблющейся конструкции могут быть охарактеризованы понятием "Импеданс" ([7], с. 18, 28-31), тогда минимальные потери энергии на границе двух сред будут обеспечены при согласовании импедансов цилиндрической оболочки и оптического волокна на заданных частотах (поскольку строгое равенство импедансов труднодостижимо, т.к. импеданс - частотно-зависимая комплексная величина, зависящая также от места его определения).

При согласовании механических импедансов цилиндрической оболочки 2 и оптического волокна 1 обеспечиваются минимальные потери энергии упругих волн при переходе из одного элемента в другой, в области их механического контакта, в заданном частотном диапазоне. Подобное согласование механических импедансов двух элементов может быть достигнуто выбором материала цилиндрической оболочки.

Рассеяние на однородной периодической структуре большой длины обеспечивает достаточно высокий коэффициент отражения R (R ≤ 0,3), а малость возмущения δ < 10 обеспечивает узкую (1-10 кГц) полосу отражения (фильтрации), одновременно устраняя проблему отвода тепла от излучателя 3 - пьезопреобразователя.

Заявленное устройство предполагается, в частности, использовать для создания внешнего резонатора перестраиваемого по длине волны (в пределах полосы излучения рабочего тела лазера) полупроводникового волоконного лазера. Известно, что в качестве внешнего резонатора применялись решетки Брэгга с шириной полосы отражения 1-10 кГц и с весьма малым коэффициентом обратной связи 10 [6] . Заявленное устройство также может быть применено для увеличения длины взаимодействия в существующих волоконных акустооптических приборах /1/.

Источники информации
1. Ю.В.Гуляев, М.Я.Меш, В.В.Проклов. Модуляционные эффекты в волоконных волноводах и их применение. М.: Радио и связь, 1991.

2. D. O. Culverhouse, S.H.Yun, D.J.Richardson et al. Low-loss all-fiber acousto-optic tunable filter. Opt.Lett., v.22, N.2, pp.96-98,1997.

3. H. S.Kim, S.H.Yun, I.K.Kuang et.al. All-fiber acousto- optic tunable notch filter with electronically controllable spectral profile. Opt. Lett., v.22, N.19, pp. 1476-1478, 1997.

4. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теоретическая физика. Т.7. Теория упругости. М.: Наука, 1987 (с. 181-182).

5. В. А. Красильников, В.В.Крылов. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984.

6. M. S.Klimov, A.S.Svakhin, V.A.Sychugov. Technology and some applications of corrugated structures in integrated optics. In: Waveguide corrugated structures in integrated and fiber optics. Proc. IOFAN, v.34, Moscow, Nauka, 1991 (in Russian).

7. В. Ф.Гонткевич. Собственные колебания пластин и оболочек. Справочное пособие. Киев: Наукова Думка, 1964, гл. 1, 3.

8. Борьба с шумом на производстве. Справочник. Под. ред. проф. Е.Я.Юдина. М.: Машиностроение, 1985.

Изобретение относится к волоконной оптике и может использоваться при создании резонатора ПП лазера, обеспечивает расширение функциональных возможностей фильтра за счет увеличения длины акустооптического взаимодействия на однородной периодической структуре и области однородности упругих колебаний. Фильтр содержит отрезок оптического волокна и жестко связанные с ним излучатель и поглотитель упругих волн, тонкостенную цилиндрическую оболочку для намотки на нее (полностью или частично) оптического волокна. Оболочка имеет по крайней мере одну сквозную щель, на противолежащих сторонах которой размещены излучатель и поглотитель, в частности по всей длине сторон щели, а также с возможностью охвата оптического волокна. В устройстве достижим коэффициент отражения R порядка 0,3 в полосе фильтрации 1-10 кГц. 7 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Оптико-акустический частотный фильтр, содержащий отрезок оптического волокна и жестко связанные с ним излучатель и поглотитель упругих волн, отличающийся тем, что он снабжен цилиндрической оболочкой, имеющей по крайней мере одну сквозную щель, параллельную ее оси, при этом отрезок оптического волокна или часть его размещены на поверхности упомянутой оболочки в виде механически связанной с ней обмотки, а излучатель и поглотитель упругих волн размещены на противолежащих сторонах щели. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая оболочка выполнена тонкостенной и имеет радиус много больше длины возбуждаемой упругой волны. 3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что излучатель упругих волн размещен по всей длине соответствующей стороны сквозной щели. 4. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что излучатель упругих волн размещен в пределах области пересечения сквозной щели оптическим волокном с возможностью охвата оптического волокна. 5. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что поглотитель упругих волн размещен по всей длине соответствующей стороны щели. 6. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что поглотитель упругих волн размещен с возможностью охвата оптического волокна. 7. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что излучатель упругих волн выполнен из пьезоэлектрического материала. 8. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая оболочка выполнена из материала, обеспечивающего согласование ее импеданса с импедансом оптического волокна в заданном диапазоне частот.