ПОЛЯРИЗАЦИОННО-НЕЗАВИСИМЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ КОММУТАТОР Российский патент 2009 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к оптоволоконной технике, а именно к акустооптическим оптоволоконным коммутаторам.

Известно изобретение "Акустооптический переключатель для волоконно-оптических линий", содержащий излучающие и приемные торцы оптических волокон, управляемое устройство поворота плоскости поляризации излучаемых волокон, коллимирующий и фокусирующий объективы, устройство оптического переключения первого и второго оптического волокна, которое содержит управляющее устройство для формирования первого и второго электрического сигнала, первый и второй оптически активные элементы, каждый из которых отражает свет под определенным углом, первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, соединенные с управляющим устройством для получения первого и второго сигналов, при этом первый пьезоэлектрический преобразователь сопряжен с первым оптически активным элементом и управляется первым электрическим сигналом и формирует первую акустическую волну в первом оптически активном элементе, при этом второй пьезоэлектрический преобразователь сопряжен со вторым оптически активным элементом и управляется вторым электрическим сигналом, формирует вторую акустическую волну во втором оптически активном элементе. Угол дифракции первого оптически активного элемента соответствует первой акустической волне, и угол дифракции второго оптически активного элемента соответствует второй акустической волне, при этом оптический сигнал, излучаемый первым оптическим волокном, направляется в коллимирующий объектив, отклоняется первым и вторым оптически активными элементами и через фокусирующий объектив направляется во второе оптическое волокно. Для направления оптического сигнала от первого оптического волокна во второе оптическое волокно осуществляются следующие действия: определение указанного второго оптического волокна из множества оптических волокон, отклонение оптического сигнала первым и вторым оптически активными элементами и фокусирование оптического сигнала таким образом, чтобы он был совмещен со вторым волокном. Управляемое устройство поворота плоскости поляризации излучающих волокон осуществляет, в случае необходимости, установку ориентации плоскости поляризации поляризованного излучения на входе дефлектора с анизотропным оптически активным элементом в соответствии с минимальным уровнем дифракционных потерь в акустооптическом дефлекторе с Брэгговской акустической решеткой (Заявка РСТ/СА01/00226 "Акустооптический переключатель для волоконно-оптических линий", 22.02.2000 г.).

Это изобретение выбрано в качестве прототипа. К недостаткам изобретения относится наличие управляемого устройства поворота плоскости поляризации излучающих волокон, которое осуществляет, в случае необходимости, установку определенной ориентации плоскости поляризации излучения на входе дефлектора с анизотропным оптически активным элементом, что снижает скорость передачи информации из-за необходимости оперативно корректировать плоскость поляризации коммутируемого сигнала в волоконно-оптических линиях связи в соответствии с произвольно меняющимся вектором поляризации. Причина этого состоит в том, что в одномодовом оптическом волокне, не сохраняющем поляризацию, возможно распространение двух независимых мод с ортогональной поляризацией. Поскольку оптические волокна обладают не совсем строгой осевой симметрией, фазовые постоянные этих двух мод различны. Между модами двух поляризаций происходит обмен энергией, характеристики которого изменяются под внешним воздействием, поэтому прошедший через волокно свет с линейной поляризацией на входе на выходе приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми параметрами.

Кроме того, необходимость применения управляемого устройства поворота плоскости поляризации в известном коммутаторе исключает коммерческие перспективы применения изобретения в существующих волоконно-оптических сетях, так как оптическое волокно, сохраняющее плоскость поляризации, не применяется из-за высокой стоимости, более высоких потерь и отсутствия соответствующих нормативов в международных стандартах на аппаратные средства магистральных волоконно-оптических линий связи.

В заявленном изобретении - поляризационно-независимом акустооптическом оптоволоконном коммутаторе технический результат достигается при применении двух интерференционных устройств для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения, основанных на явлении Брюстера и осуществляющих разделение коммутируемого излучения с произвольной поляризацией первым интерференционным устройством на два пучка с фиксированными значениями плоскостей поляризации, с последующим отклонением излучений двухкоординатными акустооптическими дефлекторами в каждом из двух образовавшихся каналов заданным образом при оптимальных условиях соответствия поляризационных соотношений излучения и пространственной ориентации двухкоординатных дефлекторов с последующим фокусированием обоих пучков на торце приемного волокна, используя возможность суммирования излучения вторым интерференционным устройством при дополнительных условиях, обеспечивающих суммирование пучков. Условия состоят в том, что устройство дополнительно содержит две поворотные призмы полного внутреннего отражения, расположенные определенным образом и обеспечивающие необходимое пространственное расположение пучков излучения.

Сущностью изобретения является то, что поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор содержит коллимирующий и фокусирующий объективы, излучающие и приемные торцы оптических волокон, причем торцы оптических волокон расположены в фокальных плоскостях объективов, анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор с двумя генераторами накачки акустических волн, отличается тем, что содержит дополнительно второй анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор с двумя генераторами накачки акустических волн, два интерференционных устройства для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения, основанных на явлении Брюстера, и две поворотные призмы полного внутреннего отражения, причем первое интерференционное устройство для разделения излучения включено между коллимирующим объективом и входами двухкоординатных дефлекторов, между выходами которых и входами второго интерференционного устройства суммирования излучения включены поворотные призмы, а между выходной гранью второго интерференционного суммирующего устройства и торцами матрицы оптических волокон расположен фокусирующий объектив.

В качестве интерференционного устройства для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения используется "поляризующий куб" (http://www.effects.ru/science/168/index.htm), представляющий собой сборку из двух призм с углами при вершине, равными углу Брюстера для многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на общую диагональ. Угол Брюстера рассчитывается в соответствии с известными соотношениями, связывающими этот угол с длиной волны излучения и показателями преломления сред, формирующих общую диагональную плоскость интерференционного покрытия двух призм.

Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор отличается тем, что отражающие поверхности поворотных призм полного внутреннего отражения покрыты металлическим слоем. Необходимо это для того, чтобы независимо от ориентации поляризации и значения угла полного внутреннего отражения для выбранной длины волны, S и Р компоненты излучения имели минимальные потери при отражении.

Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор отличается тем, что входная апертура каждого из анизотропных двухкоординатных акустооптических дефлекторов ориентирована по поляризации в соответствии с направлениями векторов поляризации, разделенных поляризующим кубом пучков излучения.

Применение интерференционных устройств позволяет разделить излучение с произвольной поляризацией на два пучка с фиксированной ориентацией плоскости вольной поляризацией на два пучка с фиксированной ориентацией плоскости поляризации и независимо друг от друга выполнить пространственные преобразования излучений в оптимальном режиме работы двухкоординатных акустооптических дефлекторов. Аналогичное интерференционное устройство позволяет просуммировать излучения идентичных по задержке каналов на торце выбранного приемного волокна. При этом суммирование пучков на торце приемного одномодового волокна без сохранения поляризации осуществляется без дополнительных потерь, так как электрические вектора электромагнитных полей ортогональны и модовый состав излучения не меняется. Предложенное устройство в отличие от известного имеет большую информационную пропускную способность вследствие исключения динамических потерь, связанных с временем компенсации случайных изменений угла поворота плоскости поляризации. Кроме того, предложенное устройство отличается от известного простотой вследствие исключения управляемого устройства поворота плоскости поляризации.

Пространственное расположение составляющих элементов поляризационно-независимого акустооптического оптоволоконного коммутатора характеризуется тем, что торцы передающих и приемных волокон объединены в две матрицы, каждая из которых ориентирована соответственно по направлению к входной грани первого и выходной грани второго интерференционных устройств.

Для работы анизотропного акустооптического дефлектора необходимо выполнение условия соответствия ориентации электрического вектора поляризованного излучения плоскостям Брегговской акустической решетки в одноосном оптически активном кристалле дефлектора. В рассматриваемом устройстве поляризационно-независимого акустооптического оптоволоконного коммутатора данное соответствие достигается за счет того, что входная апертура каждого из анизотропных двухкоординатных акустооптических дефлекторов ориентирована по поляризации в соответствии с направлениями векторов поляризации, разделенных поляризующим кубом пучков излучения. Т.е. соответствие выполняется за счет выбора пространственных положений акустооптических дефлекторов.

Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор, представленный на чертеже, содержит коллимирующий 1 и фокусирующий 2 объективы, излучающие 3 и приемные 4 торцы оптических волокон, анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор 5 с первым генератором накачки акустических волн 6 и вторым генератором накачки акустических волн 7, содержит дополнительно второй анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор 8 с третьим генератором накачки акустических волн 9 и четвертым генератором накачки акустических волн 10, два интерференционных устройства для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения 11 и 12, основанных на явлении Брюстера и две поворотные призмы полного внутреннего отражения 13 и 14.

Оба интерференционных устройства 11 и 12 по функциональному назначению в предлагаемом устройстве эквивалентны.

Центры рабочей апертуры коллимирующего 1 и фокусирующего 2 объективов и двухкоординатных акустооптических дефлекторов 5 и 8 находятся на осях, проходящих через центр матриц 3 и 4 в направлениях, параллельных осям приемных и передающих оптических волокон.

Оптическое излучение поступает по одному из передающих оптических волокон матрицы 3, торцы оптических волокон матриц 3 и 4 находятся в фокальных плоскостях коллимирующего 1 и фокусирующего 2 объективов. Излучающие и приемные торцы оптических волокон расположены в разных матрицах.

Излучение с произвольной поляризацией, исходящее с торца передающего оптического волокна матрицы 3, коллимирующим объективом 1 преобразуется в коллимированное излучение с апертурой, соответствующей рабочим апертурам коллимирующего и фокусирующего объективов 1 и 2, апертурам двухкоординатных акустооптических дефлекторов 5 и 8. Коллимированное излучение с выхода коллимирующего объектива 1 поступает на входную грань поляризующего куба 11.

Куб представляет собой сборку из двух одинаковых стеклянных призм, на общую диагональ которых нанесено методом вакуумного распыления многослойное диэлектрическое покрытие (http://www.effects.ru/science/168/index.htm). Угол при вершине призм задается равным углу Брюстера для заданной длины волны света при отражении от границы раздела стекло-напыленный диэлектрик.

Чтобы обеспечить выполнение этого условия на всех границах раздела внутри многослойного диэлектрического покрытия, покрытие исполняется путем чередования слоев двух материалов. Показатели их преломления подбираются с тем расчетом, чтобы n₁=n; n₂=(n)^1\2, где n_{1, 2} - показатели указанных двух веществ, n - показатель стекла призмы. В частности, для оптического диапазона на призмах из кварцевого стекла указанным условиям хорошо соответствует пара окислов SiO₂ - TiO₂.

Толщины слоев напыления подбираются исходя из условия, чтобы волны, отраженные от передней и задней грани слоя, складывались синфазно. Таким образом, многослойное покрытие представляет собой диэлектрическое зеркало для данной длины волны и данного угла ее падения. Однако в соответствии с явлением Брюстера отражение будет происходить только для S-компоненты поляризации падающего пучка, в то время как для Р-компоненты коэффециент отражения равен нулю. Таким образом, S-поляризованная компонента практически полностью отражается, в то время как Р-поляризованная проходит куб без ослабления.

Поляризующие кубы указанной конструкции представляют собой дешевые и качественные поляризаторы излучения, способные разделить излучение на линейно-поляризованные составляющие практически без потерь. К недостаткам поляризующих кубов относится, во-первых, возможность применения только для расчетной длины волны излучения, а во-вторых, критичность к угловой юстировке. При использовании поляризующего куба в предлагаемом устройстве зависимость от длины волны излучения не имеет существенного значения, так как работа устройства осуществляется в узком спектральном диапазоне оптического сигнала.

Разделенные линейно-поляризованные компоненты излучения поступают на двухкоординатные акустооптические дефлекторы 5 и 8 с анизотропной дифракцией оптически активных элементов. Каждый оптически активный элемент осуществляет отклонение по одной координате и является составной частью двухкоординатного дефлектора. Электрический вектор поляризованного излучения на входе однокоординатного дефлектора с анизотропным оптически активным элементом ориентируется в плоскости фронта акустической волны, при этом излучение на выходе будет повернуто на π/2 относительно входа (Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Сов. радио. 1978 - 112 с.). Каждый из однокоординатных акустооптических дефлекторов, включающих оптически активные элементы с анизотропной дифракцией, в которых генераторами 6, 7 и 9, 10 возбуждаются акустические дифракционные решетки Брэгговского типа, формирует дифрагированный пучок под определенным углом к исходному пучку. В двухкоординатном дефлекторе коллимированное излучение, отклоненное на угол, определяемый физическими параметрами первого оптически активного элемента, длиной волны отклоняемого света и частотой генератора 6 (9), управляющего однокоординатным акустооптическим дефлектором, поступает на вход второго оптически активного элемена, который повернут на π/2 относительно первого и тем самым согласован по поляризации с поляризацией падающего на него излучения. Акустическими решетками, возбуждаемыми генераторами 7 и 10, излучение отклоняется по второй координате.

Функционирование устройства, таким образом, будет заключаться в выборе адреса приемного волокна, представляемого в виде частот генераторов 6, 7, 11, 12, формирующих Брегговские акустические решетки дефлекторов и соответствующее отклонение излучения.

В отличие от широко применяемых в настоящее время оптических коммутаторов с электронным ядром (ОЕО) рассматриваемое известное устройство (Заявка РСТ/СА01/00226), а также заявленное изобретение характеризуются тем, что в них используется принцип непосредственной коммутации оптического излучения в одномодовых волоконно-оптических линиях связи. Основное преимущество коммутаторов с оптическим ядром - отсутствие ограничений пропускной способности канала связи, обусловленной электронным ядром системы коммутации.

Заявленное изобретение - вариант данной структуры OOO-коммутатора, в котором в отличие от известного устройства, с точки зрения технической применимости предлагаемого изобретения:

- конструктивные отличия позволяют исключить динамические потери информации в оптоволоконном коммутаторе, обусловленные временем реакции управляемого устройства поворота плоскости при изменении параметров оптического пучка в оптическом волокне, и вследствие этого увеличить пропускную способность устройства;

- конструктивные отличия, исключающие применение управляемого устройства поворота плоскости поляризации, позволяют упростить оптоволоконный коммутатор, так как известные управляемые устройства поворота плоскости поляризации на произвольный угол сложны в реализации, нестабильны во времени и имеют большое время реакции (магнитооптический эффект Фарадея, поляризационно-модовая дисперсия вследствие искусственной анизотропии, наведенной механическим воздействием на оптическое волокно и др.). Кроме того, предлагаемое устройство отличается более высокой надежностью, так как к нему применимы критерии, характеризующие признаки устройств твердотельной электроники - отсутствие механических элементов управления работой, большой ресурс эксплуатации.

Возможные применения предлагаемого изобретения:

1. Системы коммутации волоконно-оптических сетей.

2. Системы временного и частотного уплотнения и разделения оптических сигналов.

Были проведены экспериментальные исследования макетных образцов коммутатора, выполненного согласно заявке РСТ/СА01/00226, и базовых узлов заявляемого устройства. Результаты исследований свидетельствуют о возможности реализации предлагаемого изобретения со следующими параметрами:

- скорость переключения ˜5 мкс;

- число каналов ˜300 и более;

- потери мощности оптического излучения в коммутаторе ˜6 дБм.

Изобретение относится к оптоволоконной технике. Сущностью изобретения является то, что коммутатор содержит дополнительно второй анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор, два интерференционных устройства для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения, основанных на явлении Брюстера, и две поворотные призмы полного внутреннего отражения. Применение интерференционных устройств позволяет разделить излучение с произвольной поляризацией на два пучка с фиксированной ориентацией плоскости поляризации, независимо друг от друга выполнить пространственные преобразования излучений в оптимальном режиме работы двухкоординатных акустооптических дефлекторов и затем просуммировать оптические пучки на торце приемного волокна. Технический результат - устройство имеет большую информационную пропускную способность вследствие исключения динамических потерь, связанных с временем компенсации случайных изменений угла поворота плоскости поляризации. Кроме того, устройство отличается простотой исполнения вследствие исключения из конструкции управляемого устройства поворота плоскости поляризации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор, содержащий коллимирующий и фокусирующий объективы, излучающие и приемные торцы оптических волокон, причем торцы оптических волокон расположены в фокальных плоскостях объективов, анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор с двумя генераторами накачки акустических волн, отличающийся тем, что содержит дополнительно второй анизотропный двухкоординатный акустооптический дефлектор с двумя генераторами накачки акустических волн, два интерференционных устройства для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения, основанных на явлении Брюстера, и две поворотные призмы полного внутреннего отражения, причем первое интерференционное устройство для разделения излучения включено между коллимирующим объективом и входами двухкоординатных дефлекторов, между выходами которых и входами второго интерференционного устройства суммирования излучения включены поворотные призмы, а между выходной гранью второго интерференционного суммирующего устройства и торцами матрицы оптических волокон расположен фокусирующий объектив.2. Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что интерференционное устройство для поляризационного векторного разделения и суммирования излучения выполнено в виде "поляризующего куба", представляющего собой сборку из двух призм с углами при вершине, равными углу Брюстера, для многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на общую диагональ.3. Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что отражающие поверхности поворотных призм полного внутреннего отражения покрыты металлическим слоем.4. Поляризационно-независимый акустооптический оптоволоконный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что входная апертура каждого из анизотропных двухкоординатных акустооптических дефлекторов ориентирована по поляризации в соответствии с направлениями векторов поляризации, разделенных поляризующим кубом пучков излучения.