Оптический конструктивный элемент Советский патент 1993 года по МПК G02B26/00 G02B6/00 

Изобретение относится к оптическому конструктивному элементу для волоконно- оптических передающих систем, например к демпфирующему элементу, фильтру, делителю мощности и т.п., состоящему по меньшей мере из двух держателей для волокон и из перемещаемого между этими держателями регулировочного элемента.

Оптические конструктивные элементы этого вида как демпфирующие элементы, фильтры, делители мощности и т.п. предварительно демпфирующий элемент состоит из коробчатой формы кожуха, в противоположных боковых стенках которого выполнены держатели в форме соединений для оптических волокон. Этим волокнам на

внутренних сторонах кожуха приданы средства отображающей оптики в форме сферических линз для расширения луча, Во внутреннем объеме в боковых стенках кожуха с помощью коротких осей установлен круглый диск, причем оптическая ось волокон расположена на расстоянии от оси вращения диска. Диск несет на себе в качестве магазина фильтров различные фильтрующие диски, каждому из которых придано по одному фиксированному положению. За счет вращения фильтрующего диска он может приводиться s различные фиксированные положения так, что может регулироваться различная величина демпфирования. Недостатком при этом явля00

ю

00

ел ел о

СА)

ется то, что регулировка различных фильтров соответственно должна осуществляться вручную непосредственно на оптическом демпфирующем элементе. Дистанционное управление является невозможным. Соот- ветствующие недостатки имеются такхчо в других аналогично выполненных конструктивных элементах в форме филы ров, делителей мощности или т.п.

Поэтому в основу изобретения положе- на задача создания оптического конструктивного элемента относящегося сюда вида, которым простым образом можно было бы управлять дистанционно, так чтобы регулировка непосредственно на оптическом кон- структивном элементе больше уже не требовалась.

Решение этой задачи достигается за счет отличительных признаков п. 1 формулы изобретения. Оптический конструктивный элемент согласно изобретению обеспечивает возможность дистанционной регулировки согласно следующего принципу. На основе определенного входного сигнала управление следит за локальным перемеще- нием электрическою поля между направляющими пластинами,которые одновременно являются держателем, соответственно опорой, оптических волокон, при определенных обстоятельствах вместе с их средствами отображающей оптики, С помощью электрического поля регулировочная пластина с различными оптическими свойствами перемещается между волокнами таким образом, что возможно получение различных величин демпфирования, кривых фильтрования, делений мощности и т.п. Оптический конструктивный элемент согласно изобретению может также использоваться как электрически управляемый оптический переключатель.

На фиг. 1 показан физический принцип оптического конструктивного элемента; на фиг. 2 - первая форма осуществления оптического конструктивного элемента в верти- кальном разрезе; на фиг. 3 - оптический конструктивный элемент согласно фиг. 2 в повернутом вертикальном разрезе; на фиг. 4 - горизонтальный разрез второй формы осуществления оптического конструктивно- го элемента; иа фиг. 5 - горизонтальный разрез третьей формы осуществления оптического конструктивного элемента; на фиг, 6 - горизонтальный разрез четвертой формы осуществления оптического конструк- тионого элемента; на фиг. 7 горизонтальный разрез пятой формы осуществления оптического конструктивного .элемента; на фиг, 0 - вертикальный разрез оптического конструктивного элемента согласно пятой форме осуществления; на фиг. 9 - принципиальное изображение средства отображающей оптики; на фиг. 10 - принципиальное изображение шестой формы осуществления оптического конструктивного элемента в качестве электрически регулируемого оптического делителя мощности; на фиг. 11 - седьмая форма осуществления оптического конструктивного элемента в качестве электрически регулируемого оптического делителя мощности; на фиг, 12 - горизонтальный разрез восьмой формы осуществления оптического конструктивного элемента в качестве электрически регулируемою оптического фильтра; на фиг. 3 - принципиальное изменение передаваемой мощности оптического фильтра согласно фиг. 12 в виде функции от длины волны и регулировки регулировочной пластины; на фиг. 14 - девятая форма осуществления оптического конструктивного элемента в качестве электрически управляемого оптического переключателя.

Физической основой оптического конструктивного элемента согласно изобретению является тот факт, что подвижный диэлектрик 1 в поле пластинчатого конденсатора 2 втягивается в этот конденсатор в том случае, когда диэлектрик 1 сначала согласно фиг. 1 частично находится вне действия поля (переход частично в состояние минимальной энергии). Сила F, действующая на диэлектрик 1, при постоянном заряде Q на конденсаторных пластинах 2 составляет

Р - 1g-gpd 0 Д

° fe,a+/c-Јb/xf причем является действительным: х а, где Јо - диэлектрическая постоянная окружающего пространства;

Е - диэлектрическая постоянная диэлектрика 1 и h - размер системы перпендикулярно плоскости чертежа. Остальные величины вводятся согласно фиг. 1.

При постоянном напряжении U эта сила имеет величину

|-/C-C0/V2 Ј

причем является действительным: х а.

На этой физической основе базируется оптический конструктивный элемент согласно изобретению, в котором диэлектрик 1 с помощью электрического поля может точно позиционироваться между конденсаторными пластинами 2 в дискретных положениях.

На фиг. 2 и 3 показана первая форма осуществления оптического конструктивного элемента, состоящего из двух параллельных направляющих пластин 10, 11 на расстоянии с и имеющей возможность перемещаться между ними регулировочной пластины 12. В направляющие пластины 10,

11установлены оптические волокна 13, 14 их средствами отображающей оптики 19 таким образом, что их свободные торцевые

поверхности противолежат подвижной регулировочной пластине 12. Направляющие пластины 10, 11 и регулировочная пластина

12состоят из диэлектрического материала, например являются стеклянными дисками. На внутренних сторонах направляющих

пластин 10,11 соответственно нанесены параллельные ряды электропроводящих полосок 15, 16. Эти полоски могут состоять из напыленного прозрачного материала. Отдельные электродные полоски 15, 16 каждой направляющей пластины 10, 11 снабжены подключениями 18, подключенными к неизображенному более подробно управлению, осуществляющему переключение напряжения между отдельными электродными полосками 15, 16.

Весь оптический конструктивный элемент, состоящий из направляющих пластин 10, 11 и регулировочной пластины 12, находится внутри герметически запертого кожуха, заполненного согласованной по показателю жидкостью.

За счет подключения напряжения к электродам 15, 16, соответственно их подключениям 18, обозначенным буксами BrBj и за счет отключения напряжения на электродах 15,16 соответственно их подключениям 18, обозначенных буквами Aj-Ak, электрическое поле смещается. На описанной вначале физической основе диэлектрическая регулировочная пластина 12 перемещается соответстоенно в новые положения и в зависимости от количества, взаимного расстояния а размере электродов 15, 16 может занимать большое число дискретных положений. При этом за счет введения согласованной по показателю жидкости трения может удерживаться исключительно малым.

Подвод напряжения к электродным полоскам 15,15 обеих направляющих пластин 10, 11 может осуществляться таким образом, что необходимые переключения реализуются с помощью полупроводниковых конструктивных элементов, выполненных по технологии чип на стекле (chip-on-clas) на одной из направляющих пластин 10, 11. Это является обычной технологией в случае модулей LCD, Тогда к полупроводниковым конструктивным элементам должны подводиться только напряжения для создания поля в точке и необходимые управляющие сигналы.

Обмен мощностью является исключительно малым, так как работа по перемеще- 5 нию регулировочной пластины 12 в новое - положение является лишь малой. Должен осуществляться заряд лишь частичных емкостей. Определяемые этим и инерционностью регулировочной пластины 12

0 временно для новой фиксации регулировочной пластины 12 располагаются в диапазоне мс.

При технической форме осуществления регулировочная пластина 12 из-за жела5 тельного перемещения только по прямолинейной координате должна фиксироваться самим полем или канавкой соответственно промежуточными элементами. Однако в связи с тем, что фиксация ввиду целесооб0 разности должна сохраняться также при отключенном напряжении, механическая фиксация является предпочтительной.

Начальное положение должно обеспечиваться за счет инерциализации электри5 ческим путем или с помощью механических средств, например, за счет электрического бегущего поля через всю зону пути и вслед за тем через целенаправленное перемещение в определенное начальное положение.

0 При второй форме осуществления согласно фиг. 4 изображен оптический конструктивный элемент, состоящий из двух направляющих пластин 20, 21 и регулировочной пластины 22, направляемой в на5 правляющей полости 27, выполненной в направляющей пластине 21. Электродные полоски 25, 26 находятся на поверхностях обеих направляющих пластинах пластин 20, 21 соответственно в зоне регулировочной

0 пластины 22. Волокнам 23, 24 приданы средства отображающей оптики 29,

На фиг. 5 изображена третья форма осу- ществления) являющаяся особенно предпочтительной для простого изготовления.

5 При этом волокнам 33, 34 соответственно приданы средства отображающей оптики 39. При этой форме осуществления лишь одна диэлектрическая направляющая пластина 31. в которой зылолнена направляю0 щая плоскость 37 для регулировочной пластины 32, снабжена двумя рядами напылённых электродных полосок 35, 36, распо- ложенных по обеим сторонам от направляющей полости 37 для регулировоч5 ной пластины 32. Таким ме образом вместо электродных полосок 35, 36 направляющая пластика 31 могла бы быть снабжена полупроводниковыми конструктивными элементами по технологии чип на стекле. Однако необходимое напряжение для достижения

такого же силового действия, что при первых двух формах осуществления, является большим.

Изображенная на фиг. 6 четвертая форма осуществления состоит из плоской направляющей пластины 40, из снабженной направляющей полостью 47 для регулировочной пластины 42 второй направляющей пластины 41, в которую с помощью средств отображающей оптики 49 вставлены оптические волокна 43, 44 и из двух рядов электродных полосок 45, 46, выполненных из двух краевых зон направляющей полости 47 направляющей пластины 41. Эта форма осуществления может найти применение, например в качестве электрически регулируемого оптического демпфирующего элемента.

При изображенной на фиг. 7 и 8 пятой форме осуществления оптического конструктивного элемента в отличие от четвертой формы осуществления направляющая канавка 57 для регулировочной пластины 52 выполнены одинаково в обеих направляющих пластинах 50,51. Электродные полоски 55, 56 находятся соответственно на наружных сторонах направляющих пластин 50,51 в зоне направляющей полости 57, соответственно направляемой в ней регулировочной пластины 56, Волокна 53, 54 заканчиваются средствами отображающей оптики 59, установленными в направляющие пластины 50, 51.

На фиг. 9 показано средство отображающей оптики 59 между волокном 53 в виде коллимированного пучка и концом другого волокна 54.

Далее более подробно описываются специальные оптические конструктивные элементы, базирующиеся на рассмотренной вначале физической основе и использующие формы осуществления фиг. 2-7 для фиксации регулировочной пластины, соответственно для выполнения электрического поля, и которые следует понимать лишь в качестве примера, так как в принципе всегда возможны все формы осуществления.

На оптических участках передачи демпфирование участка должно регулироваться на заданную величину и долговременно удерживаться постоянным. В зависимости от уровня приема телеметрический сигнал может передаваться к передатчику и о пти- ческии демпфирующий элемент за счет управляющего сигнала может регулироваться таким образом, что отклонение демпфирования от заданной величины остается ниже заданного предела. Для реализации этих функций служит, например, пятая форма осуществлений согласно фиг. 7 и 8 в качестве электрически регулируемого оптического демпфирующего элемента. При этом между торцевыми поверхностями оптических волокон 53, 54 на описанной вначале физической основе регулировочная пластина 52, то есть диэлектрический диск, перемещается в переменной в продольном направлении передачей. В зависимости от положения регулировочной пластины 52 может

0 фиксированно устанавливаться ступенями между максимальной и минимальной величинами демпфирование, зависящее от количества электродных полосок 55, 56 и постоянного изменения передачи регулиро5 вочной пластины 52, При этом направляющая полость 57 имеет глубину, соответствующую ширине регулировочной пластины 52.

На фиг. 10 и 11 показаны в принципи0 альном изображении шестая, соответственно седьмая, формы осуществления оптического конструктивного элемента в качестве оптического делителя мощности с электрически регулируемым соотношением

5 деления, В информационных сетях с оптической передачей отвод определенной доли оптической мощности от пути передачи представляет собой важную функцию.

В изображенных в принципе на фиг. 10

0 и 11 оптических конструктивных элементах электрически управляемого делителя мощности регулировочная пластина 62, соответственно 72, из различных по участкам интерференционных фильтров согласно

5 описанным выше формам осуществления оптического конструктивного элемента помещается на оптическом пути между входным волокном 60, 70 и двумя выходными волокнами 61,61, соответственно 71, 71. За

0 счет электрических управляющих сигналов направляющая пластина 62, 72 шагами дис- кратной величины приводится в выбранные положения между неизображенными направляющими пластинагли, несущими на се5 бе также неизображенные электродные полоски. При этом на оптическом пуги луча приходят и действие фильтры с различной передачей, соответственно отражением, образованным регулировочными пластинами

0 62, соответственно 72. Отраженная оптическая доля мощности отводится через полупроницаемое зеркало 68 в выходное волокно 61 (фиг. 10).

На фиг. 12 показана восьмая форма осу5 ществления оптического конструктивного элемента в качестве электрически регулируемого оптического фильтра. В системах мультиплексной передачи длины волны в конце участка должен применяться фильтр для селекции сигнала определенной длины

волны. С помощью настраиваемого фильтра могут легко разделяться сигналы различных длин волны. При этом регулировочная пластина 82 образует фильтр,положение которого может электрически управляться. Фильтр может перемещаться между направляющими пластинами 80, 81 по описанному выше принципу между торцевыми сторонами входного волокна 83 и выходного волокна 84.

На фиг. 13 показано принципиальное изменение отведенной оптической мощности при различных длинах волны Я и перемещении регулировочной пластины 82 в направлении стрелки А (кривая А), соответ- С(венно в направлении стрелки В (кривая

В).

Наконец на фиг. 14 в качестве девятой формы осуществления оптического конструктивного элемента изображен электриче- скиуправляемыйоптический

переключатель. В сетях с оптической передачей является целесообразным включать вспомогательные цепи при отказе отдельных компонентов или ветвей сети, например в локальных сетях с кольцевой структурой. Для этого требуются оптические переключатели, вводящие сигнал одного волокна, входного волокна 93, в одно из двух возможных выходных волокон 94, 94. В известных переключателях для этого используется непосредственное механическое или управляемое пьезоэлектрическим путем перемещение волокна. За счет расположения регулировочной пластины 92 между двумя направляющими пластинами 90, 91, соответственно состоящими из диэлектрического материала с помощью прозрачной диэлектрической регулировочной пластины 92 может достигаться простое переключение в том случае, когда ее показатель преломления надлежащим образом выбирается равным П2 в противоположность показателю преломления гц остальных материалов. С помощью этого также могут создаваться оптические матрицы связи, устанавливаемые в оптических передающих сетях.

Оптические переключатели могут быть реализованы также с помощью устройства, идентичного изображенной на фиг, 7 и 8 пятой форме осуществления оптического конструктивного элемента, в том случае, если регулировочная пластина 52 заменяется непрозрачной регулировочной пластиной, перемещаемой в согласованной по похазэ- телю жидкости. Такого рода переключатели также могут использоваться при очень больших диаметрах сердечника волокна в качестве оптических переключателей в

индикаторных системах с волоконно-оптическим направлением света и заменять там другие, менее эффективные переключатели. При этом является целесообразным выпол- 5 нять коммутационные матрицы, размер которых сориентирован на размеры знаков или изображений.

Формула изобретения

0 1. Оптический конструктивный элемент для двух и более оптических волокон, состоящий из по крайней мере двух держателей для волокон, выполненных с образованием между торцами волокон направляющей по5 лости, из диэлектрического регулировочного элемента, выполненного с возможностью перемещения в направляющей полости, и из расположенных по крайней мере на одном держателе дискретных электродов, вы0 полненных с возможностью их подключения к регулируемому источнику напряжения, отличающийся тем, что держатели выполнены в виде направляющих пластин, диэлектрический регулировоч5 ный элемент выполнен в виде регулировочной пластины с переменной в продольном направлении амплитудной или спектральной характеристикой пропускания или переменным в продольном направ0 лении коэффициентом светоделения, дискретные электроды выполнены в виде расположенных на расстоянии друг от друга электродных полос, снабженных контактами и присоединенных к устройству управле5 ния, выполненному с возможностью переключения напряжения между отдельными электродными полосами.

2,Элемент по п. 1,отличающийся тем, что регулировочная пластина выполне0 на из стекла.

3.Элемент по пп. 1и2,отличаю- щ и и с я тем, что электродные полосы выполнены из прозрачного электропроводящего материала.

5 4. Элемент по пп. 1-3, отличающийся тем, что электродные полосы выполнены на внутренних поверхностях направляющих пластин.

5.Элемент по пп. 1-4, отличаю- 0 щ и и с я тем, что направляющая полость

образована выемкой в одной направляющей пластине.

6.Элемент по пп. 1-5, отличающийся тем, что электродные полосы вы5 полнены в виде двух параллельных рядов на обращенных к направляющей полости поверхностях направляющих пластин.

7.Элемент по пп. 1-5. отличающийся тем, что электродные полосы вы- поллсны в виде двух параллельных рядов на

боковых поверхностях направляющей полости одной направляющей пластины.

8.Элемент по пп, 1-7, отличающийся тем, что глубина направляющей полости соответствует толщине регулировочной пластины.

9.Элемент по пп, 1-7, отличающийся тем, что глубина направляющей

полости соответствует ширине регулировочной пластины.

10. Элемент по пп. 1-9, о т л и ч a rout и и с я тем, что направляющая полость образована из двух выемок в поверхностях обеих направляющих пластин и что электродные полосы образованы на наружных стенках направляющих пластин в зоне регулировочной пластины.

Использование: изобретение относится к оптическим конструктивным элементам для волоконно-оптических передающих систем, например к демпфирующему элементу, фильтру, делителю мощности, состоящим по меньшей мере из двух держателей для волокон и из перемещаемого между этими держателями регулировочного элемента. Сущность изобретения: для решения этой задачи согласно изобретению предусматривается, что держатели выполнены в виде направляющих пластин и регулировочный элемент выполнен в виде регулировочной пластины из диэлектрического материала с переменными в продольном направлении оптическими свойствами; что регулировочная пластина может перемещаться в образованной между направляющими пластинами направляющей полости и что по меньшей мере одна удерживающая пластина снабжена по меньшей мере двумя созда- ющими диэлектрическое поле электродными поверхностями, подключенными к устройству управления длд питания напряжением. 9 з,п. ф-лы, 14 ил. СО С

Фиг /

/ j t /

-12

16Фиг2

PLLZ Л

РО

5k / A«53

to.. 59

50

51

P(JM.J

Фиг. ft

х

CD

t

См U

00 Ю CO Ul СЛ

о