акустооптический перестраиваемый фильтр — патент РФ 2182347 — Царев А.В.

акустооптический перестраиваемый фильтр - патент РФ 2182347 - Царев А.В. Реферат

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к интегральной и волоконной оптике и может быть использовано в качестве перестраиваемого фильтра для частотного уплотнения сигналов в волоконно-оптических системах связи, малогабаритного перестраиваемого оптического спектрометра.

Известно устройство — интегральный акустооптический перестраиваемый фильтр с изменяемой связью (Arjuin Kar-Roy and Chen S. Tsai. Integrated acoustooptic tunable filters using weighted coupling, IEEE J. Quantum Electronics, 1994, vol. 30, No 7, pp. 1574-1586), в котором фильтрация заданной длины волны оптического спектра осуществляется за счет акустооптического (АО) преобразования на поверхностной акустической волне (ПАВ) направляемых оптических мод разной поляризации, распространяющихся в полосковом оптическом волноводе коллинеарно с ПАВ.

Перестройка отфильтрованной длины волны света осуществляется за счет изменения частоты ПАВ, которую выбирают исходя из выполнения условий фазового синхронизма между взаимодействующими волнами. Разделение падающей и продифрагированной на ПАВ оптических мод осуществляется за счет скрещенного поляризатора, пропускающего только одну из волн заданной поляризации.

За счет дополнительного взвешивания коэффициента связи взаимодействующих волн вдоль направления их распространения удается понизить до уровня -21,4 дБ уровень боковых лепестков полосы пропускания фильтра. Можно показать, что ширина линии полосы пропускания коллинеарного акустооптического перестраиваемого фильтра задается выражением:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823471/2

= A

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

NL, (1)

где A — численный коэффициент порядка единицы, зависящий от конструкции фильтра,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823471/2

— ширина полосы пропускания по уровню 0,5 или -3 дБ,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

— длина волны излучения,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

N — разность эффективных показателей для волн разной поляризации, L — длина области взаимодействия. Например, в полосковом волноводе на ниобате лития на длине области взаимодействия 0,6 см ширина полосы пропускания по уровню 0,5 составляет 4 нм на длине волны 1,31 мкм.

Недостатком данного устройства является недостаточно узкая ширина линии полосы пропускания, которая ограничена величиной оптической анизотропии и длиной области взаимодействия и не может быть уменьшена без существенного увеличения размера устройства.

Известно устройство — акустооптический перестраиваемый фильтр на основе изотропной дифракции с использованием решетки фазированных преобразователей (I-Cheng Chang. Acousto-optic tunable filter based on isotropic acousto-optic diffraction using phased array transducers, United States Patent No 5,909,304 (June 1, 1999)), в котором фильтрация заданной длины волны оптического спектра осуществляется акустооптической ячейкой за счет неколлинеарной дифракции на ПАВ, направляемых оптических мод одной поляризации, распространяющихся в планарном оптическом волноводе.

Разделение падающей и продифрагированной на ПАВ оптических мод осуществляется с помощью селектирующего элемента, состоящего из двух линз, которые осуществляют Фурье-преобразование и пространственно выделяют продифрагированный пучок на заданной длине волны света.

Перестройка полосы пропускания акустооптического фильтра осуществляется путем изменения частоты ПАВ, распространяющейся в акустооптической ячейке. Спектральное разрешение устройства зависит от апертуры оптического пучка, который создается с помощью формирующего элемента, состоящего из двух волноводных линз.

Использование в акустооптической ячейке решетки фазированных преобразователей для возбуждения ПАВ позволяет расширить полосу акустооптического взаимодействия и, следовательно, увеличить область перестройки длины волны света. Однако устройство работает также с акустооптической ячейкой, содержащей всего один встречно-штыревой преобразователь (ВШП) для возбуждения ПАВ.

Недостатком данного устройства является недостаточно узкая ширина линии полосы пропускания, которая ограничена величиной апертуры оптического пучка в области взаимодействия с ПАВ, которая не может быть увеличена без существенного увеличения размера устройства.

Техническим результатом изобретения является создание акустооптического перестраиваемого фильтра, который бы одновременно имел минимальные размеры и узкую линию полосы пропускания.

Технический результат достигается тем, что в акустооптическом перестраиваемом фильтре, содержащем планарный оптический волновод с акустооптической ячейкой и элементы, формирующие и/или селектирующие оптические пучки, указанные элементы, формирующие и/или селектирующие оптические пучки, выполнены в планарном оптическом волноводе или рядом с ним в виде двух полосковых оптических волноводов и набора элементарных отражателей, перекрывающих апертуру соответствующих полосковых оптических волноводов, по которым проходят падающий и выходящий световые пучки соответственно.

Причем угол наклона элементарных отражателей формирующего элемента выбирают из условия, что зеркально-отраженные световые пучки направлены под углом Брэгга для падающей световой волны; угол наклона элементарных отражателей селектирующего элемента выбирают из условия, что зеркально-отраженные световые пучки, выходящие из полоскового волновода, направлены под углом Брэгга для дифрагированной световой волны акустооптической ячейки.

Чтобы обеспечить прохождение через выходящий полосковый волновод только отклоненного продифрагировоннаго пучка, относительный угол наклона зеркально-отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов выбирают больше угла дифракционной расходимости световых пучков, отраженных от элементарных отражателей.

Положение элементарных отражателей выбирают из условия, что на центральной длине волны оптического излучения перестраиваемого фильтра направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей соответственно совпадают с направлениями, задаваемыми зеркально отраженными пучками, переходящими из полосковых оптических волноводов в планарный оптический волновод.

Кроме того, дополнительные технические результаты достигаются тогда, когда с целью лучшего подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели выбирают с изменяемыми коэффициентами отражения, величину которых уменьшают к началу и концу формирующего и/или селектирующего элемента, а с целью расширения полосы задержки сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели формирующего и/или селектирующего элементов смещают относительно периодического расположения псевдослучайным образом на величину, кратную центральной длине волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра, поделенной на эффективный показатель преломления соответствующего полоскового оптического волновода.

Работа акустооптического перестраиваемого фильтра поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана принципиальная схема акустооптического перестраиваемого фильтра, где 1 — планарный оптический волновод, 2 — полосковый оптический волновод формирующего элемента, 3 — элементарный отражатель формирующего элемента, 4 — вход акустооптического перестраиваемого фильтра, по которому вводится в полосковый волновод оптическое излучение, 5 — выход акустооптического перестраиваемого фильтра, 6 — акустооптическая ячейка, 7 — встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ, 8 — ПАВ, 9 — полосковый оптический волновод селектирующего элемента, 10 — элементарный отражатель селектирующего элемента, 11 — оптические пучки, отраженные от элементарных отражателей.

На фиг. 2 представлен угловой спектр формирующего оптического элемента, рассчитанного на длину волны

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

= 1,54 мкм.

На фиг.3 представлены угловые спектры формирующего оптического элемента на разных длинах волн света для m

=10, где 12 — график функции u

2

(p), спектры на разных длинах волн: 13-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=1,50 мкм, 14-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=1,54 мкм, 15-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=1,55 мкм, 16-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=1,60 мкм.

На фиг.4 представлены расчеты прямого прохождения сигнала I(

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

). Кривая 17 соответствует случаю

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=0, а кривая 18 соответствует случаю

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=0,1.

На фиг. 5 представлены расчеты пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра на разных длинах волн ПАВ для m

=10, где 19-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=12 мкм, 20-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=10 мкм, 21-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=8 мкм, 22-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=7 мкм, 23-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=6 мкм, 24-

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=5 мкм.

На фиг. 6 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для

=10, где 25 — случай постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, 26 — случай изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей.

На фиг.7 представлены расчет весовых функций или коэффициента трансформации поля оптической направляемой моды из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод в зависимости от номера элементарного отражателя. Здесь 27 — случай постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, 28 — случай изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, 29 — изменение величины поля направляемой оптической моды полоскового оптического волновода по мере ее прохождения через элементарные отражатели с изменяемым коэффициентом отражения.

На фиг. 8 представлено изменение коэффициента отражения от элементарных отражателей, которое обеспечивает заданный вид весовой функции 28 на фиг.7.

На фиг. 9 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для

Рефераты:  Основные аспекты межкультурного диалога в условиях глобализации – тема научной статьи по языкознанию и литературоведению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

=11 (кривые 30 и 31) и m

=10 (кривые 32 и 33). Кривые 30 и 32 соответствуют случаю постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, которые расположены строго периодически с периодом 7 мкм. Кривые 31 и 33 соответствуют случаю изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, которые расположены псевдослучайным образом.

Конструктивно устройство выполнено следующим образом (см. фиг.1). На поверхности твердого тела либо под ней (случай так называемого заглубленного волновода) изготавливается тонкий слой толщиной несколько микрон с показателем преломления выше показателя преломления окружающих сред (подложки и окружающего верхнего слоя, в данном случае воздуха).

Такой слой является планарным оптическим волноводом (1), т.е. световой пучок может распространяться внутри данного слоя с очень низкими потерями (меньше 1 дБ/см). Количество направляемых (волноводных) волн (мод), которые поддерживает данная структура, и пространственное распределение оптических мод определяются профилем изменения показателя преломления по глубине.

В планарном оптическом волноводе или рядом с ним выполнены полосковые оптические волноводы (2) и (9). Полосковый оптический волновод имеет увеличенное значение показателя преломления не только вглубь, но и поперек структуры. Поэтому он может поддерживать распространение узкого и не расходящегося оптического пучка вдоль его оси в области с увеличенным значением показателя преломления.

Полосковый волновод представляет собой локальную область на либо под поверхностью твердого тела в виде тонкой полоски шириной от нескольких единиц до десятков микрон, с показателем преломления выше показателя преломления окружающей его среды.

Волноводы могут быть изготовлены путем диффузии металлов, протонным обменом из расплавов солей, распылением веществ с более высоким показателем преломления, чем у подложки, эпитаксией из газовой или жидкой фазы и т.д. Через полированный торец в полосковый оптический волновод формирующего элемента вводится через вход (4) оптический пучок, который может содержать разные длины волн оптического спектра.

В области, которую занимают полосковые оптический волноводы (2) и (9), изготовлен набор наклонных элементарных линейных отражателей (3) и (10), которые перекрывают апертуру полосковых оптических волноводов (2) и (9) формирующего и селектирующего оптических элементов соответственно.

Световой пучок проходит через формирующий оптический элемент и переходит в планарный оптический волновод в виде когерентных световых пучков (11), которые формируют слаборасходящийся расширенный выходной пучок. Далее оптический пучок проходит через акустооптическую ячейку (6), которая может содержать один или несколько фазированных встречно-штрыревых преобразователей (7) (ВШП) для возбуждения ПАВ (8).

Часть расширенного пучка на длине волны света, которая удовлетворяет условиям брэгговского синхронизма, дифрагирует на ПАВ и меняет направление распространения. Далее продифрагированный оптический пучок проходит из планарного оптического волновода (1) в полосковый оптический волновод (9) селектирующего элемента и выходит через выход (5) полированного торца устройства.

Угол отклонения продифрагированного пучка

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

зависит от длины волны излучения и частоты ПАВ (f)

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

где

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

— длина волны ПАВ,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/f,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

и f — скорость и частота ПАВ, N

1

, N

2акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823471акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472

— эффективные показатели преломления и брэгговские углы для падающей (1) и дифрагированной (2) волн соответственно. Уравнение (2) получено стандартным способом, из условия выполнения фазового синхронизма (брэгговские условия) для трех взаимодействующих волн (двух оптических и одной акустической).

12

, тогда имеем:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

= 2

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347Б

, (3)

где

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347Б

= arcsin(

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/(2

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

N),

Угол наклона элементарных отражателей формирующего элемента выбирают из условия, что зеркально отраженные пучки удовлетворяют условиям брэгговского синхронизма для падающей волны. Угол наклона элементарных отражателей селектирующего элемента выбирают из условия, что зеркально отраженные пучки удовлетворяют условиям брэгговского синхронизма для дифрагированной волны.

Кроме того, чтобы обеспечить прохождения через выходящий полосковый волновод только отклоненного продифрагированного пучка, относительный угол наклона зеркально-отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823471акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472

) выбирают больше угла дифракционной расходимости (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/(N

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

)) световых пучков, отраженных от элементарных отражателей. Здесь

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

— эффективная ширина полоскового волновода. Геометрически это соответствует случаю, когда в планарном оптическом волноводе между зеркально отраженными пучками, которые вошли в полосковые оптические волноводы (2) и (9) через полированные торцы (4) и (5), образован угол 180

oакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

Положение элементарных отражателей выбирают из условия совпадения (на заданной длине волны оптического излучения) направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей с направлением, задаваемым зеркально отраженными пучками, переходящими из соответствующих полосковых оптических волноводов в планарный оптический волновод.

Варьируя положение, коэффициент отражения R и число отражателей М, можно изменять как угловую ширину выходящего пучка, так и уровень боковых лепестков и полосу задержки сигналов вне полосы пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра.

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

100 нм) из того же или иного материала на поверхности оптического волновода. Коэффициент отражения элементарного отражателя обычно составляет 0,01

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

0,0001 и может контролироваться путем оптимального выбора технологии изготовления и геометрии отражателя. Количество отражателей должно быть достаточно велико (обычно произведение R

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

M больше 1, т.е. М порядка 100

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

1000), чтобы обеспечить хорошие коллимирующие свойства (узкую направленность и высокое подавление боковых лепестков в угловом пространстве) и высокую эффективность преобразования из узкого пучка в широкий пучок и обратно. Расстояние между элементарными отражателями обычно сравнимо с шириной оптического волновода (порядка 5

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

50 мкм).

Работа устройства осуществляется следующим образом. Узкий оптический пучок вводится в полосковый оптический волновод (2) формирующего элемента и на каждом из элементарных отражателей делится на два пучка. Один (значительно меньший по интенсивности) отражается и переходит из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод, а другой (чуть меньший по интенсивности, чем падающий) проходит по полосковому оптическому волноводу до следующего элементарного отражателя, на котором снова делится на два пучка, и т.д.

Все отраженные пучки когерентно суммируются с учетом оптического сдвига фаз, обусловленного задержкой светового пучка на промежутке между соседними отражателями. Результирующий световой пучок имеет широкую апертуру (в десятки и сотни больше входной) и низкую расходимость выходящего оптического излучения, обусловленную постоянностью фазового фронта оптической волны поперек полоскового волновода, а также строго заданным наклоном и положением большого количества элементарных отражателей.

Угловой спектр U(p), излучаемый формирующим элементом в плоскости волновода, может быть представлен в виде спектра фазовой дифракционной решетки, который описывается стандартным образом. Без ограничения общности поперечное распределение электрического поля направляемой (волноводной) моды можно описать как exp(-(y/w

2

), где w

— эффективная ширина полоскового волновода, у — поперечная координата (в плоскости планарного волновода). Каждый рефлектор имеет двойную ширину 2

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

w и описывается коэффициентом отражения R

m

и сдвигом фаз kx

m

, где x

m

-координата m-го рефлектора. Пусть рефлекторы располагаются строго периодически с шагом d.

mакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

m, m=1,2,3,….М. (4)

Тогда U(p) может быть получено в виде:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

где

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

=(R

m1/2

, t

m

=(T

m1/2

, T

m

=1-b

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

, С — нормировочная константа, которую определяют из условия, что энергия всех спектральных составляющих равнялась оттоку энергии из полоскового волновода на всех элементарных отражателях,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

— весовая функция или коэффициент трансформации поля оптической направляемой моды из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод на m-м элементарном отражателе, r

m

и R

m

— коэффициенты отражения на m-м элементарном отражателе по амплитуде и интенсивности, t

m

и Т

m

— коэффициенты прохождения m-гo элементарного отражателя по амплитуде и интенсивности, р — синус угла наблюдения, измеренный относительно оси, соответствующей направлению на зеркальное отражение от элементарного отражателя, u

(р) — угловой спектр, излучаемый элементарным рефлектором, b — коэффициент, учитывающий потери энергии при отражении, например, из-за трансформации в другие типы волн (другой поляризации, моды излучения и т.д.). Можно показать, что для

Рефераты:  Как Построить Диаграмму Ганта, Используя Разные Инструменты

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

справедлива рекуррентная формула

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472mакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472m-1акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

(1-R

m-1акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347mm-1

, которая позволяет находить взаимосвязь между

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472m

и R

m

Сначала рассмотрим случай с постоянным коэффициентом отражения (R=R

m

) и для простоты положим, что отношение w/w

много больше единицы. Тогда можно получить

(p) = C

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823471/2

exp(-(kwp/2)

2

), (7)

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

Угловое распределение интенсивности расширенного пучка имеет вид

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

Излучаемый спектр формирующего элемента пучка при

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=1,54 мкм показан на фиг.2. Он представляет собой очень узкий пик шириной:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

p =

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/(N

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

M) (10)

На фиг.2 ширина пика имеет величину порядка 0,0001 радиана. При расчете считалось, что N=2,2, элементарные отражатели имеют постоянный коэффициент отражения R= 0,002 и располагаются строго периодически с периодом d=7 мкм, число отражателей М= 1000, общая длина структуры отражателей d

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

M=0,7 cm, эффективная ширина полоскового оптического волновода w

=10 мкм.

Появление данного узкого углового спектра можно проиллюстрировать на основе уравнения (9), которое содержит два сомножителя. Первый из них, равный u

2

(p), описывает угловой спектр ограниченного источника света, сформированного при частичном отражении направляемой моды полоскового оптического волновода. Спектр имеет широкое угловое распределение порядка 0,04 радиана с максимумом, соответствующим зеркально отраженному пучку (р=0). Второй сомножитель описывает узкий линейчатый спектр с угловой расходимостью (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

p) порядка 0,0001 радиана (см. фиг.2) и описывает результат интерференции от различных элементарных отражателей. Положение максимумов линейчатого спектра определяется выражением:

kd(1-p)/2 =

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

, (11)

где m

— порядок интерференции (целое число). Истинный угловой спектр (см. фиг. 2) есть произведение этих двух функций. Поэтому благодаря первому сомножителю из всего линейчатого спектра выживает только набор одна линия (см. фиг.2), соответствующая такому порядку интерференции (m

), для которого направления распространения очень близко к зеркальному отражению (р=0) от элементарных отражателей. Для нашего случая m

=10 при

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=1,54 мкм.

Таким образом, расположение отражателей выбирается согласно уравнению (11) при р=0. Оно соответствует условию, что на заданной длине волны оптического излучения направление распространения одного из порядков интерференции (m

) и зеркально отраженных пучков совпадают с точностью до угловой расходимости (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

p), выходящего из устройства расширенного оптического пучка.

Причем согласно (11) диаграмма направленности расширенного пучка смещается как целое (сканирует) при изменении длины волны света согласно:

p = (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347mакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

, (12)

где

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

= d

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

N/m

, Угловой спектр, излучаемый формирующим элементом, для разных длин волн при m

=10 представлен на фиг.3. Видно, что при изменении длины волны света происходит смещение диаграммы направленности согласно уравнению (12), а амплитуда спектральных составляющих меняется пропорционально u

2

(p).

Работа селектирующего элемента аналогична работе формирующего элемента, если обратить направление распространение света. Т.е. поле направляемой оптической моды полоскового волновода (9) формируется как результат интерференции большого количества когерентных световых пучков, перешедших из планарного оптического волновода (1) в полосковый волновод (9) в результате отражения на каждом из элементарных отражателей (10).

Таким образом, световой пучок, вошедший через вход (4) полоскового оптического волновода и содержащий разные длины волн оптического спектра, проходит через формирующий оптический элемент и переходит в планарный оптический волновод в виде набора когерентных световых пучков, диаграмма направленности которых зависит от длины волны оптического излучения согласно уравнению (12) и имеет очень узкую ширину (порядка 0,0001 радиан).

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347В

в сторону селектирующего элемента, который пропускает только ту часть оптического излучения, которое имеет строго заданную длину волны и направление распространения. Т.е. он осуществляет дополнительную селекцию по длине волны оптического излучения, прошедшего через АО перестраиваемый фильтр.

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

) =

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

I(p)

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

I(2

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347Вакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

— p)dp. (13)

Из выражения (13) следует, что для того чтобы избежать прямого прохождения сигнала в отсутствии ПАВ (когда

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347В

=0), относительный угол наклона зеркально-отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

) должен быть больше угла дифракционной расходимости (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/Nw

) светового пучка, отраженного от элементарного отражателя.

Данное утверждение иллюстрируют кривые 17 и 18 на фиг.4, которые описывают расчеты прямого прохождения сигнала I(

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

). Кривая 17 соответствует

случаю

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=0, а кривая 18 соответствует случаю

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=0,1 (т.е. когда длина волны ПАВ на центральной частоте составляет 7 мкм). Хорошо видно, что при

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=0 устройство пропускает набор узких подзон, соответствующих разным порядкам интерференции (m

). Однако при

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

=0,1 (т.е. когда

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

больше

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/Nw

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

0.7) наблюдается эффективное (больше 30 дБ) подавление сигнала прямого прохождения. Ширина линии полосы пропускания определяется угловой расходимостью диаграммы направленности излучения (

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

p) и характером сканирования диаграммы направленности при изменении длины волны света. Тогда согласно (10) и (12) имеем:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823471/2акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 21823472

/(N

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

M). (14)

Из сравнения уравнений (1) и (14) следует, что предлагаемый перестраиваемый фильтр при одинаковых размерах имеет ширину линии приблизительно в N/

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

N раз уже, чем стандартный коллинеарный акустооптический фильтр. Для ниобата лития это обеспечивает сужение линии полосы пропускания более 20 раз.

Следует отметить, что акустооптическая ячейка обладает важными для работы данного устройства селектирующими свойствами. Т.е в АО взаимодействии участвуют (т.е. откланяются) только те оптические волны, которые удовлетворяют условиям брэгговского синхронизма.

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347mакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

(1

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

)/(1

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

/(2

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

)). (15)

Оно показывает на каждой фиксированной длине волны ПАВ найдется набор таких длина волны света

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

в окрестности

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

, для которых одновременно выполняются условия фазового синхронизма, и обеспечивается максимально-эффективная трансформация из полоскового оптического волновода формирующего элемента в планарный оптический волновод акустооптической ячейки, а затем в полосковый оптический волновод селектирующего элемента. Т.е. данное устройство обладает свойством автоподстройки полосы пропускания при изменении длины волны ПАВ.

Выбор рабочей подзоны может осуществляться внешним широкополосным фильтром и/или использованием для передачи информации только заданного диапазона длин волн. Например, для подзоны, соответствующей m

=10, рабочие длины волн лежат в диапазоне 1,5

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

1,6 мкм. Ниже все результаты будут относиться именно к этой подзоне как наиболее перспективной для использования в волоконно-оптической связи. Однако все выводы автоматически переносятся и на другие диапазоны длин волн, т.е. данный фильтр является универсальным устройством, т.к. от длины волны света зависят только его технические параметры.

Можно показать, что ширина линии пропускания АО ячейки, имеющей один однородный ВШП с апертурой L, описывается следующим выражением:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347AO2

~ 0.9

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

cos(

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347В

)/L. (16)

Фильтрующие свойства акустооптического перестраиваемого фильтра определяются произведением фильтрующих свойств как АО ячейки (см. уравнение (16)), так и свойствами формирующего и селектирующего элементов (см. уравнение (14)), которые также управляются АО ячейкой.

Пример расчетных характеристик акустооптического перестраиваемого фильтра на ниобате лития представлен на фиг.5. Хорошо видно, что при изменении длины волны ПАВ от 5 до 12 мкм устройство обеспечивает селективную фильтрацию оптического излучения от 1,511 мкм до 1,571 мкм, т.е. в пределах полосы перестройки 60 нм, примерно соответствующей оптимальной полосе пропускания оптического волокна и существующих оптических усилителей сигнала.

Форма ширины линии пропускания фильтра показана на фиг.6. По уровню 0,5 (или -3 дБ) она имеет ширину 0,1 нм, что соответствует 600 перестраиваемым каналам по длине волны света. При расчете полагалась постоянство коэффициента отражения для всех элементарных отражателей.

Уровень побочных максимумов оптических элементов можно уменьшить путем взвешивания их коэффициента пропускания. В нашем случае с целью лучшего подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели выбирают с изменяемыми коэффициентами отражения, величину которых монотонно уменьшают к началу и концу формирующего и/или селектирующего элемента.

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

(m) = cos

2акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

m-M)/M], m = 1,2,… . M. (17)

является гладкой и довольно близка к гауссовой кривой. Она дает максимальный уровень побочного максимума — 32 дБ, а ширина линии пропускания фильтра по уровню 0,5 в 1,62 раза больше, чем при прямоугольном взвешивании (постоянный уровень сигнала от всех элементарных отражателей). Преимущество хэннингова взвешивания заключается в том, что уровень побочных максимумов быстро спадает как (

Рефераты:  Глобальные проблемы : Реферат : Экология

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347-3

. В то же время взвешивание с используемой функции Хэмминга, часто используемой функцией взвешивания, дает более узкую линию пропускания фильтра с меньшим уровнем побочных максимумов (-43 дБ). Ее недостаток — низкая скорость спадания побочных максимумов. Отметим, что хэммингово взвешивание очень похоже по виду и дает результаты, подобные ограниченной гауссовой функции:

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

если константу взвешивания выбрать равной 12,5.

На фиг. 6 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для

=10. Все дальнейшие расчеты приведены с учетом проведенной нормировки на константу С. Из соображений удобства все кривые нормированы на эффективность дифракции света на ПАВ, которую осуществляет акустооптическая ячейка. Кривая 25 описывает ширину линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для случая постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей.

Кривая 26 описывает случай изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, когда весовая функция является ограниченной гауссовой функцией (18) с константой взвешивания, равной 5. Хорошо заметно, что взвешивание весовых функций или коэффициента трансформации поля оптической направляемой моды из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод приводит к существенному улучшению подавления паразитных сигналов и сужению линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра при высоких уровнях режекции.

Например, для случая изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей (кривая 26) ширина линии составляет 0,1 нм по уровню -3дБ, 0,17 нм по уровню -10 дБ и 0,22 нм по уровню -20 дБ соответственно. Т.е акустооптический перестраиваемый фильтр обеспечивает 270 независимых каналов по уровню -20 дБ или 350 каналов по уровню -10 дБ, причем подавление паразитных сигналов в полосе перестройки (60 нм) оказывается выше 35 дБ.

Вид используемых весовых функций представлен на фиг.7. Для постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей он имеет вид экспоненциальной зависимости (см. кривую 27). Весовая функция в виде ограниченной гауссовой функции (18) с константой взвешивания, равной 5, показана на кривой 28.

Кривая 29 показывает изменение величины поля направляемой оптической моды полоскового оптического волновода по мере ее прохождения через элементарные отражатели с изменяемым коэффициентом отражения. На фиг.8 представлено соответствующее изменение коэффициента отражения от элементарных отражателей, которое обеспечивает заданный вид весовой функции 28, показанной на фиг.7. Из фиг.

6 хорошо заметно, что уменьшение коэффициента отражения элементарных отражателей к началу и концу формирующего и/или селектирующего элемента (см. фиг.8) приводит к лучшему подавлению паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра. Вид самой функции изменения коэффициента отражения может быть произвольным и ее выбирают исходя из компромиссных требований на ширину линии пропускания фильтра и уровень подавления боковых лепестков.

Могут существовать ситуации, когда пользоваться внешним широкополосным входным фильтром не желательно, а требуемая полоса задержки сигналов так велика, что захватывает сразу несколько подзон. В этом случае элементарные отражатели формирующего и/или селектирующего элементов смещают относительно периодического расположения псевдослучайным образом на величину, кратную центральной длине волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра, поделенной на эффективный показатель преломления соответствующего полоскового оптического волновода (d

). Такое расположение отражателей обеспечивает когерентное сложение пучков, сформированных от различных отражателей, только на центральной длине волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра. На всех остальных длинах волн света, достаточно удаленных от центральной, результирующее поле от сложения пучков, сформированных от различных отражателей с хаотической задержкой сдвига фаз, будет пренебрежимо мало.

Расчет данного типа акустооптического перестраиваемого фильтра может быть выполнен только численно согласно уравнениям (5) и (6), если уравнение (4) поменять на (19), соответствующее случаю псевдослучайного расположения элементарных отражателей:

mакустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

m d

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347m

, m=1,2,3,….М, (19)

где d

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

/N — шаг псевдослучайного расположения отражателей,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

— центральная длина волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра, A

m

— набор целых чисел (0,

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

2,…

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

), которые изменяются случайным образом от -М

до М

, где М

— кратность псевдослучайного расположения отражателей, причем М

должна быть меньше, чем отношение d/d

На фиг. 9 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для периодического (кривые 30 и 32) и псевдослучайного (кривые 31 и 33) расположения (с кратностью, равной 4) наклонных отражателей формирующего и селектирующего элементов.

Кроме того, кривые 30 и 32 соответствуют случаю постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, а кривые 31 и 33 соответствуют случаю изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, когда весовая функция является ограниченной гауссовой функцией (18) с константой взвешивания, равной 5.

Из всего диапазона изменения длины волны света в полосе заграждения фильтра выбраны два характерных участка вблизи 1,4 мкм и 1,54 мкм, которые соответствуют максимальному прохождению акустооптического перестраиваемого фильтра, для двух интерференционных порядков m

=11 и m

=10 соответственно, для случая длины волны ПАВ 7 мкм. Чтобы лучше продемонстрировать фильтрующие свойства акустооптического перестраиваемого фильтра, на фиг.9 расчет формы ширины линии пропускания представлен в логарифмическом масштабе для m

=11 (кривые 30 и 31) и m

=10 (кривые 32 и 33). В частности, из сравнения кривых 32 и 33 видно резкое увеличение подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра для случая изменяемого коэффициента отражения (кривая 33) элементарных отражателей по сравнению со случаем их постоянного коэффициента отражения (кривая 32).

Видно, что кривые 30 и 32, которые соответствуют строго периодическому расположению элементарных отражателей с периодом 7 мкм, практически не меняются при изменении номера подзоны (или интерференционного порядка m

). Т.е., как уже отмечалось выше, чтобы избежать прохождения сигнала от соседних подзон, необходимо использовать дополнительный широкополосный фильтр и/или использовать для передачи информации только заданный диапазон длин волн в пределах одной подзоны. Однако если ввести квазипериодическое расположение элементарных отражателей с d

=700 нм (см. кривую 31), то акустооптический перестраиваемый фильтр пропускает только одну фиксированную длину волны света, которая определяется длиной волны ПАВ. Хорошо видно, что линия 1406 мкм, соответствующая m

=11, подавлена по уровню свыше — 40 дБ по сравнению с рабочей (центральной) линией 1540 нм, соответствующей m

=10. Таким образом, псевдослучайное расположение элементарных отражателей согласно (19) обеспечивает когерентное сложение пучков, сформированных от различных отражателей, только на одной длине волны света вблизи центральной. На всех остальных длинах волн света, достаточно удаленных от центральной, результирующее поле от сложения пучков, сформированных от различных отражателей, имеет хаотическую задержку сдвига фаз и оказывается пренебрежимо малым.

В результате использования изобретения получен акустооптический перестраиваемый фильтр, который одновременно имеет минимальные размеры (в нашем примере рабочее поле всего 1

акустооптический перестраиваемый фильтр, патент № 2182347

1 кв. см), узкую линию полосы пропускания (порядка 0,1 нм по уровню 3 дБ и 0,22 нм по уровню -20 дБ) в полосе перестройки до 60 нм и высокое подавление (больше 30 дБ) паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра. Совокупностью таких параметров не обладает ни один из известных акустооптических перестраиваемых фильтров.

Предлагаемый акустооптический перестраиваемый фильтр может быть использован при конструировании систем частотного уплотнения, используемых в волоконно-оптической связи, а также для создания малогабаритных перестраиваемых спектрометров оптического излучения.

Акустооптический перестраиваемый фильтр может быть изготовлен по известной технологии, разработанной для создания устройств интегральной оптики и микроэлектроники.

Оцените статью
Реферат Зона
Добавить комментарий