Волоконно-оптический ответвитель Советский патент 1992 года по МПК G02B6/28 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может найти применение в технике связи с использованием волоконных световодов.

Известен волоконно-оптический ответвитель, содержащий волоконный световод с сердцевиной и светоотражающей оболочкой, имеющий первый прямолинейный участок, участок с из гибом, выполненным по заданному радиусу, и второй прямолинейный участок, и элемент для приема ответвленного оптического излучения, расположенный напротив участка с изгибом. Элементом для приема ответвленного оптического излучения служит фотодетектор, перед которым расположена линза, собирающая рассеянное излучение, выходящее из световода и фокусирующая его на фотодетекторе .

Недостатками этого ответвителя являются большие потери (Z 5-7 дБ) и низкий коэффициент направленности ( 210 дБ), связанные с тем, что расёеянное оптическое излучение выходит в воздух практически во все стороны и не может быть полностью собрано линзой. По этой же причине прохожДение излучения по световоду с изгибом в обратном направлении вызовет засветку фотодетектора. Кроме того, поскольку изгиб находится в.воздухе, из него не может быть ответвлена существенная доля излучения, распространяющаяся по его сердцевине. Такой ответвитель обеспечивает ответвление не более 10% мощности излуче- ния.

Наиболее близким к изобретению явйяется волоконно-оптический ответвитель, содержащий волоконный световод с сердцевиной и светоотражающей оболочкой, имеющий первый прямолинай ный участок, участок с изгибом, выполненным по заданному радиусу, второй прямолинейный участок, элемент для приема ответвленного оптического излучения, расположенный напротив участка с изгибом, и диэлектрическую среду, выполненную из прозрачного для этого излучения материала и находящуюся э контакте с элементом для приема ответвленного оптического излучения и участком световода с изгибом .

Наличие диэлектрической среды, соединяющей участок световода с изги1

1

бом и элемент для приема ответвленного излучения, позволило существенно уменьшить потери в ответвителе и повысить коэффициент его направленности. Однако по указанным основным параметрам он значительно уступает другим известным конструкциям ответвителей, вследствие чего он не нашел широкого применения несмотря на относительную простоту его изготовления.

Целью изобретения является снижение потерь в ответвителе и повышение его коэффициента направленности.

Для этого в волоконно-оптическом ответвителе, содержащем волоконный световод с сердцевиной и светоотражающей оболочкой, имею1ций пе|рвый прямолинейный участок, участок с изгибом, выполненным по заданному радиусу, и второй прямолинейный участок, элемент для приема ответвленного оптического излучения, расположенный напротив участка световода с изгибом, и диэлектрическую среду, выполненную из прозрачного для этого излучения материала и находящуюся в контакте с элементом для приема ответвленного оптического излучения и участка световода с изгибом, соотношение длины переходной области, соединяющей участок с изгибом и первый прямолинейный участок, и радиуса изгиба, характеризуется отношением

.l/E t-2arcsin5|---A,

где 1 - длина переходной области/ R - радиус изгиба; А - апертура излучения внутри

световода/

|) - радиус сердцевины световода,

при этом второй прямолинейный участок световода выполнен под углом б к первому прямолинейному участку, определяемым ия условия f в

R

2 a.rcsin --- , а элемент для приеК Л}

ма ответвленного оптического излучения расположен на оси первого прямолинейного участка при п Пд или в секторе между углами ,7.( и 1 к оси первого прямолинейного участка световода при п п, или в секторе между углом и осью второго прямолинейного участка световода при. 5 n Пр, где n и n - показатели преломления материала диэлектрической среды и светообразующей оболочки со ответственно. На фиг. 1 представлена схема ответвителя; на фиг. 2 показан ответвитель, преимущественно, для систем двухсторонней связи. Ответвитель содержит волоконный световод 1 с сердцевиной 2, имеющей радиус р , и светоотражающей оболочкой 3, имеющей внешний радиус г. Сердцевина световода 1 может быть выполне на из кварца, легированного фосфором и германием, с максимальным показателем преломления п 2 1,75 светоотражающая оболочка 3 может быть выполнена из чистого кварца, п казатель прело.мления которого По 1,58. Световод 1 имеет первый прямолинейный участок k, участок 5 с изгибом, вьгполненным по заданному радиусу R, и второй прямолинейный участок 6, выполненный под угпом к первому прямолинейному участку А. Участок 5 с изгибом соединен с пер вым прямолинейным участком переход ной -областью 7. Ответвитель содержи также элемент для приема ответвлен ного оптического излучения, выполненный в данном варианте в виде фотодетектора 8 и расположенный напро :тив участка 5 с изгибом, и диэлектр ческую среду 9, находящуюся в контак те с фотодетектором В и участком 5 с изгибом световода 1. Диэлектрическая среда 9 выполнена из прозрачного материала с показателем преломления п, заданным относительно показателя преломления Пд материала све тоотражающей оболочки 3 световода 1, В частности, в. качестве такого мате(эиала может быть использована смесь глицерина с водой с показателем преломления п 1,58, т.е. равным Пр. В таком случае фотодетектор 8 расположен на оси первого прямолинейного участка k световода 1. Диэлектрическая среда 9 заключена в ячейке 10 с прорезями для прямолинейных участков и 6 световодов 1 и для фотодетектора 8. Световод 1 и фотодетектор 8 закреплены на подложке 11 клеем 12. Конкретную оеличйну радиуса R из гиба выбирают в зависимости от того, какую долю оптического излучения необходимо вывести из световода 1. 31 Чем меньше величина R, тем большая доля излучения выходит из световода 1 на участке 5 с изгибом. ; Для практического применения требуются ответ вители, обеспечивающие ответвление от 10 до 90 мощности излучения, распространяющегося по основному каналу. В соответствии с этим радиус R изгиба световода 1 выбирается больше, чем (20-150) Р для световодов с плавным изменением профиля показателя преломления и (10-70)/ для световодов со ступенчатым профилем показателя преломления Ответвитель, показанный на фиг.2, отличается от описанного выше тем, что элемент для приема ответвленного оптического излучения выполнен в виде волоконного световода 13. Поперечное сечение его может быть равным или больше поперечного сечения световода 1. Диэлектрическая среда 9 в этом варианте выполнена из оптически прозрачного клея на основе эпоксидной смолы с показателем преломления п ir 1 ,,6. При использовании в качестве материала светоотражающей, оболочки 3 световода 1 чистого кварца (п 1,458) , следовательно, световод 13 должен быть расположен в секторе, ограниченном углами Т и 1,25 Т к оси первого прямолинейного участка Ц световода 1 (максимальное значение 1,25 Т соответствует положению пучка, выходящего на изгибе световода при п 2,5, т.е. максимальномзначении для известных оптических клеев). Оптимальное положение световода 13 относительно первого прямолинейного участка Ц световода 1 подбирается с- помощью его юстировки при сборке ответвителя и контролируется по максимуму излучения на выходе световода 13. Данный вариант ответвителя содержит дополнительный . элемент для приема оптического излучения, в частности, фотодетектор 1ч, находящийся в контакте с диэлектрической средой 9 и закрепленный на подложке 11 клеем 12. Фотодетектор 14 располоен напротив участка 5 с изгибом световода 1 в секторе, ограниченном угами 0,751Г + Э и iT + 0 к оси первого прямолинейного участка k свето- . вода 1. Оптимальное положение его подбирается также с помощью юстировки. 1 , 1 Исследования показали, что существенно уменьшить потери ответвителя и повысить коэффициент его направленности можно при наличии только одного - первого пучка, выходящего на изгибе световода. Такие условия могут быть созданы, если расположить прямолинейные участки световода под углом 0 друг к другу, равным или большим угла между направлением второго пучка излучения, выходящего на изгибе световода, и его прямолинейным участком, из которого выводится излучение. Этот угол равен удвоенному углу падения осевого луча, распространяющегося по сердцевине прямо линейного участка на поверхность раз дела сердцевина-светоотражающая оболочка световода, т.е. равен 2arcsin ---- . Следовательно угол 9 следует вь1бирать в интервале: bZarcsirt . К р Исследования ответвителя показали также, что при формировании изгиба световода между участком с заданным радиусом изгиба и прямолинё йными участками светойода практически всегда образуются переходные области, где радиус изгиба увеличивает ся от заданной величины до бесконемностио При большой длине переходной С1бласти, соединяющей прямолинейный участок, из которого выводится излучение, и участок с изгибом, выполнен ным по заданному радиусу, излучение выходит из световода в виде веера в широком секторе, ограниченном углом (в радианах), равным отношений 1/R, где 1 - длина переходной области. Пр некоторой величине 1 этот угол ста л- R новится равным и- 2arcsin(r---), в результате чего первый и второй пучк излучения, выходящего на изгибе световода, наложатся друг на друга. Перекрытие этих пучков наступает, когда 1/R равно - 2arcsiTi(g|--)-AJ где А апертура излучения внутри световода. Ответвитель работает следующим образом. Оптическое излучение поступившее в Первый прямолинейный участок k световода 1, распространяется по нему внутри сердцевины 2 на основе явления полного внутреннего отражения. На участке 5 с изгибом вследствие изменения условий распространения часть этого излучения выходит в оболочку 3 световода и далее в диэлектрическую среду 9- Доля вышедшего из световода 1 излучения зависит, как описано выше, от радиуса R изгиба. Поскольку в данном варианте ответвителя показатель преломления п диэлектрической среды 9 равен показателю преломления п материала оболочки 3 световода 1, излучение выходит из световода 1 вдоль оси первого прямолинейного участка k. При . этом излучение выходит в виде одного узконаправленного пучка. Ответвленное таким образом излучение регистрируется фотодетектором 8, а оставшееся в световоде 1 излучение распространяется по второму прямолинейному участку 6. Ответвитель, показанный на фиг.2, целесообразно использовать в-системах двухсторонней связи по одному каналу или в рефлектометрах. В первом случае подключают первый прямолинейный участок световода 1 к линии связи, второй прямолинейный участок световода 1 - к передатчику абонента, а выходной конец световода 13 - к приемнику абонента. Ответвитель в этом случае работает следующим образом. Излучение из линии.связи поступает в первый прямолинейный участок k ответвителя и распространяется к участку 5 с изгибом, где часть его выходит в диэлектрическую среду 9. Поскольку показатель преломления п диэлектрической среды 9 в данном варианте больше показателя преломления п оболочки 3 световода 1, выходящее j из него излучение отклоняется на не- который угол от своего первоначального направления. Ответвленное таким образом излучение поступает на световод 13 расположенный под соответствующим углом к оси участка и распространяется к приемнику абонента. Для передачи сигнала в обратном направлении, т.е. от абонента в линию связи, излучение от передатчика абонента вводят во второй прямолинейный участок 6 световода. Часть этого ивлучения выходит из световода 1 на участке 5 с изгибом и регистрируется, фотодетектором 1, полученный сигнал

используется для контроля работы передатчика. Оставшаяся в световоде 1 часть излучения направляется по первому прямолинейному участку в линию связи

Аналогичным образом предложенный ответвитель может быть использован в оптическом рефлектометре.

Таким образом, данный волоконнооптический ответвитель обладает малыми внутренними потерями и высоким коэффициентом направленности. К тому же он прост и технологичен в изготовлении и.имеет хорошую воспроизводимость параметров.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ, солержащий волоконный световсл с сердцевиной и светоотрающей оболочкой, имеющий пер.вый прямолинейный участок, участок с изгибом, выполненным по заданному радиусу, второй прямолинейный участок и переходные области, в лоторых радиус кривизны световода монотонно возрастает от .заданного радиуса к бескоТйечности, соединяющие указанный участок с изгибом с соответствующими прямолинейными участками, элемент для приема ответвленного оптического излучения, расположенный на.против участка световода с изгибом, и диэлектрическую среду г выполненную из прозрачного для этого излучения материала и находящуюся в контакте с элементом для приема ответвленного оптического излучения и участком световода с изгибом, от личающ и и с я тем, что, с целью снижения потерь в ответвитеЛе и повышения его коэффициента направленности, соотношение длины переходной области, соединяющей участок с изгибом и первый прямолинейный участок, и радиуса изгиба характеризуется отношением Г/Р iir-2arcsin g3- - AJ где 1 - длина переходной области; R - радиус изгиба; А - апертура излучения внутри световода; р г радиус сердцевины световода, при этом второй прямолинейный учас;ток световода выполнен под углом 9 (Л iк первому прямолинейному участку, определяемым из условия v R п Q 2arcsin- -- ) KT- П. а элемент для приема ответвленного оптического излучения расположе на оси первого прямолинейного участка при п или в секторе между углами 1,25 IT и к оси первого прямоI линейного участка световода при , ч1 (,, или в секторе между глом (Г и СО осью второго прямолинейного участ ка свет-свода при , где п и п показатели преломленияматериала диэлектрической среды и светоотражающей оболочки соответственно.

10

Фиг.1