ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РАЗВЕТВИТЕЛЬ ТИПА "ЗВЕЗДА" Российский патент 2006 года по МПК G02B6/28 H04B10/20 

Изобретение относится к волоконно-оптическим разветвительным устройствам и может быть использовано в волоконно-оптических сетях информационного обмена.

Известен волоконно-оптический разветвитель типа "звезда", содержащий n входных и n выходных портов и выполненный в виде двух жгутов плотно уложенных оптических волокон, соединенных с общим цилиндрическим смесительным элементом [1].

У известного технического решения имеется существенный недостаток: большие собственные потери из-за неполного заполнения световедущими жилами оптических волокон сечения смесительного элемента.

Известен волоконно-оптический разветвитель типа "звезда", у которого вышеуказанный недостаток устранен. Он содержит смесительный элемент в виде близко расположенных световедущих жил, с которыми связаны входные и выходные оптические волокна - порты. Разветвитель работает на явлении волноводной связи между близко расположенными световедущими жилами [2].

Данное техническое решение имеет низкие собственные потери и прост в изготовлении для случая малого числа портов, таких как 2×2 или 3×3. Однако получение разветвителей с большим числом портов и заданным распределением оптической энергии по портам связано с большими технологическими трудностями.

Обойти указанные трудности позволяют технические решения, в которых многопортовые разветвители получены путем их синтеза из разветвителей 2×2 (Х-ответвителей).

Известен волоконно-оптический разветвитель типа "звезда", содержащий связанные между собой направленные оптические X-ответвители, причем свободные от соединения входные порты X-ответвителей образуют n входных портов разветвителя типа "звезда", а свободные от соединений выходные порты Х-ответвителей образуют n выходных его портов.

Связи между Х-ответвителями выполнены с образованием групп, каждая из четырех Х-ответвителей, внутри которых каждые два предыдущих X-ответвителя соединены выходными портами с каждым из двух последующих Х-ответвителей. Группы имеют по четыре свободных входных порта. Затем по две группы и дополнительные четыре Х-ответвителя образуют группу из двенадцати Х-ответвителей, внутри которой каждая группа выходными портами соединена с каждым из дополнительных четырех Х-ответвителей и т.д. Таким образом, образуется разветвитель типа "звезда" с n входными и n выходными портами, где n=2^K и к=1,2,3,...

Все Х-ответвители имеют коэффициенты передачи между входными и выходными портами, равные 1/2 [3].

Данное техническое решение принято за прототип.

Недостатком прототипа является то, что при произвольном числе портов n×n, отличных от 2×2, 4×4, 8×8, 16×16 и т.д., то есть при 2^К<n<2^K+1, он имеет собственные потери и тем большие, чем ближе число n к числу 2^K.

Предлагаемым изобретением решается задача устранения собственных (конструктивных) потерь разветвителя "звезда" при любом числе n входных/выходных портов.

Для достижения этого технического результата волоконно-оптический разветвитель типа "звезда" содержит связанные между собой направленные оптические Х-ответвители, причем свободные от соединения входные порты Х-ответвителей образуют n входных портов разветвителя типа "звезда", а свободные от соединений выходные порты Х-ответвителей образуют n выходных его портов. Связи между Х-ответвителями выполнены с образованием (n - 1) цепей последовательно соединенных первыми выходными и входными портами Х-ответвителей. Первые из этих цепей содержат (n - 1) ответвитель, причем первый в цепи Х-ответвитель имеет свободными оба входных порта, а последующие в цепи Х-ответвители имеют свободными вторые входные порты. Каждая последующая цепь содержит на один Х-ответвитель меньше, чем предыдущая цепь, и присоединена первым и вторым входными портами первого в цепи Х-ответвителя ко вторым выходным портам первых двух Х-ответвителей в предыдущей цепи. Последующие Х-ответвители этих цепей соединены по порядку их следования в цепях соответственно вторыми входными и выходными портами. Последняя цепь выполнена из одного Х-ответвителя, у которого оба выходных порта свободны, а у каждой предыдущей цепи последний в цепи Х-ответвитель имеет свободным первый выходной порт.

Отличительными признаками предлагаемого разветвителя "звезда" n × n являются новые связи между Х-ответвителями, отличные от связей в прототипе, которые и обеспечивают отсутствие потерь для любого числа портов n. В самом деле, в предложенной схеме соединений каждый выходной порт каждого Х-ответвителя нашел "свой" входной порт (за исключением, конечно, выходных портов). В то время как схема соединений прототипа позволяет это выполнить только для n=2, 4, 8, 16, 32,...

Коэффициенты передачи (ответвления) из первого входного порта во второй выходной порт и из второго входного в первый выходной порты у X-ответвителей выполнены с убыванием в гармонической последовательности от первого ответвителя в цепи к последнему.

Выполнение коэффициентов передачи Х-ответвителей в цепи в гармонической последовательности: 1/2 у первого ответвителя, 1/3 у второго ответвителя, 1/4-у третьего и т.д., позволяют получить коэффициент передачи из любого входного порта разветвителя "звезда" n × n на любой выходной порт равным 1/n.

Волоконно-оптический разветвитель типа "звезда" проиллюстрирован чертежами, представленными на фиг.1, 2.

На фиг.1 приведена схема разветвителя nxn для случая n=5.

На фиг.2 показана схема направленного оптического Х-ответвителя 2×2 с коэффициентом передачи (ответвления) α_i.

Волоконно-оптический разветвитель типа "звезда" (фиг.1) содержит первую цепь 1 из последовательно соединенных Х-ответвителей 2, 3, 4, 5, которые соединены первыми выходными 6 и входными 7 портами. Оба свободных входных порта 8, 9 первого Х-ответвителя 2 в цепи 1 и вторые входные порты 10, 11, 12 последующих в цепи 1 Х-ответвителей 3, 4, 5 образуют n входных портов (n=5) разветвителя типа "звезда". Вторая цепь 13 содержит Х-ответвители 14, 15, 16, на один Х-ответвитель меньше, чем первая цепь 1. Вторая цепь 13 присоединена первым 17 и вторым 18 входными портами первого в цепи 13 Х-ответвителя 14 ко вторым выходным портам 19, 20 первых двух Х-ответвителей 2, 3 в первой цепи 1. Последующие Х-ответвители 15, 16 второй цепи 13 и Х-ответвители 4, 5 соединены по порядку из следования в цепях вторыми входными 21, 22 и вторыми выходными 23, 24 портами соответственно. Третья цепь 25 содержит два Х-ответвителя 26, 27, на один меньше, чем вторая цепь 13, и присоединена ко второй цепи 13 по схеме, аналогичной вышерассмотренной схеме присоединения второй цепи 13 к первой цепи 1. Последняя цепь содержит один Х-ответвитель 28, у которого оба выходных порта 29, 30 свободны. У каждой предыдущей цепи 25, 13, 1 последний в цепи X-ответвитель 27, 16 и 5 имеет свободным первый выходной порт 31, 32 и 33 соответственно. Свободные выходные порты 29,..., 33 образуют п выходных портов ответвителя типа "звезда" (n=5).

Коэффициенты передачи α_i (фиг.2) из первого входного порта 34 во второй выходной порт 35 и из второго входного порта 36 в первый выходной порт 37 Х-ответвителя в каждой цепи выполнены убывающими в гармонической последовательности от первого ответвителя в цепи к последнему. То есть в первой цепи 1 Х-ответвители 2, 3, 4, 5 имеют коэффициенты передачи α₂=1/2, α₃=1/3, α₄=1/4, α₅=1/5. Во второй цепи 13 Х-ответвители 14, 15, 16 имеют коэффициенты передачи α₁₄=1/2, α₁₅=1/3, α₁₆=1/4. В третьей цепи 25 Х-ответвители 26, 27 имеют α₂₆=1/2, α₂₇=1/3. В последней цепи Х-ответвитель 28 имеет α₂₈=1/2.

Работает разветвитель типа "звезда" следующим образом. Оптическое излучение мощностью Р, поступившее на один из n входных портов, распространяясь между Х-ответвителями по установленным между ними связям и делясь на них в соответствии с коэффициентами передачи α₁, поступает на каждый выходной порт устройства ослабленным в n раз (коэффициент передачи разветвителя типа "звезда" равен 1/n). Так, например, оптическое излучение из входного порта 11 передается ответвителем 4 в цепь 1 ослабленным в 4 раза (α₄=1/4), проходя ответвитель 5, оно дополнительно ослабляется в отношении 5/4 (1-α₅=1- 1/5=4/5) и поступает на выходной порт 33 ослабленным в 5 раз (коэффициент передачи 1/5). На выходной порт 32 оптическое излучение поступает двумя путями, последовательно проходя ответвители 4, 15, 16 и 4, 5, 16 соответственно. При этом коэффициент передачи из порта 11 в порт 32 по первому пути составляет (1-α₄)×α₁₅×(1-α₁₆)=(1-1/4) ×1/3×(1-1/4)=3/16, а коэффициент передачи по второму пути α₄×α₅×α₁₆=1/4×1/5×1/4=1/80. Суммарный коэффициент передачи из порта 11 в порт 32 оказывается равным 3/16+1/80=1/5. На выходной порт 31 оптическое излучение поступает по цепочкам из ответвителей 4, 15, 26, 27 и 4, 5, 16, 27, а также 4, 15, 16, 27 соответственно. Коэффициент передачи по первому пути составляет: (1-α₄)×(1-α₁₅)×α₂₆ ×(1-α₂₇)=(1-1/4)×(1-1/3)×1/2×(1-1/3)=1/6, по второму пути: α₄×α₅×(1- α₁₆))×α₂₇=1/4×l/5×(1-1/4)×1/3=1/80, по третьему пути (1-α₄)×α₁₅×α₁₆× α₂₇=(1-1/4)×1/3×1/4×1/3=1/48. Суммарный коэффициент передачи из порта 11 в порт 31 оказывается равным 1/6+1/80+1/48=1/5.

Оптическое излучение из порта 11 в порты 29, 30 поступает по цепочкам ответвителей 14, 15, 26, 28 и 4, 5, 16, 27, 28, а также 4, 15, 26, 27, 28 соответственно. Коэффициент передачи по первому пути составляет: (1-α₄)×(1-α₁₅)×(1-α₂₆)×α₂₈=(1-1/4)×(1-1/3)×(1-1/2)×1/2=1/8, коэффициент передачи по второму пути составляет: α₄×α₅×(1-α₁₆)×(1- α₂₇)×α₂₈=1/4×1/5×(1-1/4)×(1-1/3)×1/2=1/80, коэффициент передачи по третьему пути составляет (1-α₄)×(1-α₁₅)×α₂₆×α₂₇×α₂₈=(1-1/4)×(1-1/3)× 1/2х1/3х1/2=1/24. Суммарные коэффициенты передачи из порта 11 в порты 29, 30 оказываются равными 1/8+1/80+1/24=1/5. Таким образом коэффициенты передачи из входного порта 11 в любой выходной порт оказались равными 1/5 (1/n).

В силу принципа обратимости оптических систем и полной схемной симметрии выходные порты разветвителя типа "звезда" могут использоваться как входные, а входные порты как выходные.

Использованные источники

1. Патент США №3874781, 1975 г., G 02 B 6/26.

2. Оптоволоконные сенсоры: принципы и компоненты. Вып.1./ Под ред. Дж. Дейкина, Б. Калшо - М.: Мир, 1992 г.

3. Патант США №4787693, 1988 г., G 02 B 6/26, кл. 385-46.

Устройство содержит связанные между собой оптические X-ответвители, причем свободные от соединений входные порты X-ответвителей являются n входными портами разветвителя типа «звезда», а свободные от соединений выходные порты Х-ответвителей являются n выходными его портами. Связи между Х-ответвителями выполнены с образованием (n-1) цепей последовательно соединенных первыми выходными и входными портами Х-ответвителей, первые из этих цепей содержат (n-1) ответвитель, причем первый в цепи Х-ответвитель имеет свободными оба входных порта, а последующие в цепи Х-ответвители имеют свободными вторые входные порты, каждая последующая цепь содержит на один Х-ответвитель меньше, чем предыдущая цепь. Технический результат - устранение собственных потерь разветвителя «звезда» при любом числе входных/выходных портов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волоконно-оптический разветвитель типа «звезда», содержащий связанные между собой направленные оптические Х-ответвители, причем свободные от соединений входные порты Х-ответвителей являются n входными портами разветвителя типа «звезда», а свободные от соединений выходные порты Х-ответвителей являются n выходными его портами, отличающийся тем, что связи между Х-ответвителями выполнены с образованием (n-1) цепей, последовательно соединенных первыми выходными и входными портами Х-ответвителей, первые из этих цепей содержат (n-1) ответвитель, причем первый в цепи Х-ответвитель имеет свободными оба входных порта, а последующие в цепи Х-ответвители имеют свободными вторые входные порты, каждая последующая цепь содержит на один Х-ответвитель меньше, чем предыдущая цепь, и присоединена первым и вторым входными портами первого в цепи Х-ответвителя ко вторым выходным портам первых двух Х-ответвителей в предыдущей цепи, а последующие Х-ответвители этих цепей соединены между собой по порядку их следования в цепях соответственно вторыми входными и выходными портами, последняя цепь выполнена из одного Х-ответвителя, у которого оба выходных порта свободны, а у каждой предыдущей цепи последний в цепи Х-ответвитель имеет свободным первый выходной порт.2. Разветвитель типа «звезда» по п.1, отличающийся тем, что в каждой цепи Х-ответвители от первого к последнему выполнены с убыванием коэффициентов передачи из первого входного во второй выходной порты и из второго входного в первый выходной порты в гармонической последовательности.