МОНОСТАТИЧЕСКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК
MONOSTASTIC OPTICAL TRANSCEIVER

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в фотоэлектрических устройствах по преобразованию оптической информации в электрический сигнал и обратно, в частности в системах беспроводной оптической связи, оптических локаторах и других устройствах.
Во многих оптических приборах для реализации их функций по назначению в состав системы должны входить источник и приемник оптического излучения. К таким приборам относятся, например, системы оптической связи, лазерные дальномеры, лидары и т.п. С целью уменьшения габаритов и улучшения стабильности оптических осей такие устройства стараются делать моностатическими. Это означает, что по крайней мере по части оптической системы встречные пучки излучения передачи и приема распространяются по одному и тому же оптическому пути. При этом возникают эффекты влияния излучения передатчика на собственный приемник, а также дополнительные потери света на устройствах, обеспечивающих совмещение встречных пучков, - оптических дуплексерах. Особенно остро эти вопросы стоят в системах оптической связи, где передатчик и приемник должны работать одновременно для получения полнодуплексного режима работы оборудования. Настоящее изобретение направлено на решение вопросов по улучшению разделения каналов передачи и приема в моностатической оптической системе и снижению потерь в оптическом тракте.
Из уровня техники известно приемопередающее устройство оптической атмосферной линии связи, выполненное в виде внешнего и внутреннего блоков и содержащее интерфейс, источник оптического излучения, приемник оптического излучения, фокусирующую систему, оптический волоконный объединитель каналов и волоконный световод, один конец которого закреплен на внешнем блоке, так что торец его расположен в фокусе фокусирующей системы, а другой конец волоконного световода через оптический волоконный объединитель каналов оптически соединен с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, причем внешний блок выполнен во всепогодном исполнении и в нем расположена фокусирующая система (см. патент РФ №2239285, с приоритетом от 31.10.2001, МПК 7 Н04В 10/10, опубликованный 27.10.2004 г. "Приемопередающее устройство оптической атмосферной линии связи"). Волоконный объединитель каналов в устройстве выполнен в виде оптического спектрального мультиплексора/демультиплексора. Очевидно, что в качестве волоконного объединителя могут использоваться и другие известные решения: оптические циркуляторы на основе эффекта Фарадея, различные виды волоконных разветвителей, широко применяемых в волоконно-оптических сетях (см. Листвин В.Н., Трещиков В.Н. «DWDM системы»: Научное издание. - М.: Издательский дом «Наука», 2013. - С. 143-144).
Недостатком известного приемо-передающего устройства является низкий коэффициент разделения каналов приема и передачи. Для волоконно-оптических мультиплексоров коэффициент разделения каналов составляет 15 дБ для соседних полос и 30-35 дБ - для не смежных каналов. Использование для решения задачи волоконных разветвителей вносит большие потери в оптический тракт (для разветвителя 1×2 потери превышают 7 дБ). К недостаткам устройства при применении циркулятора можно отнести возможность работы только с одинаковыми волокнами и небольшой уровень изоляции (обратного отражения), который не превышает 36-38 дБ, а также ограниченный диапазон длин волн для одного устройства.
Из уровня техники также известен приемопередатчик для оптического устройства связи, который выполнен в виде внешнего и внутреннего блоков, которые соединены между собой волоконным световодом (патент РФ №2311738, с приоритетом от 13.03.2006 г., МПК Н04В 10/10, опубликованный 27.11.2007 г. "Приемопередатчик для оптического устройства связи"). Внешний блок приемопередатчика выполнен во всепогодном исполнении и содержит фокусирующую систему, а внутренний блок выполнен для комнатных условий, и в нем установлены расположенные на одной подложке вплотную друг к другу излучатели, представляющие собой лазерные диоды или светодиоды, которые образуют источник оптического излучения, и фотоэлементы, которые образуют приемник оптического излучения. Излучатели и фотоэлементы, расположенные на одной подложке вплотную друг к другу, представляют собой матрицу, состыкованную с торцом волоконного световода и соразмерную его торцу. Матрица, состоящая из множественных излучателей и фотоэлементов, принимает и преобразует оптический сигнал, что позволяет исключить волоконно-оптические объединители-разветвители.
Недостатком данного устройства является низкий уровень разделения каналов приема-передачи и высокий уровень потерь световой энергии. При излучении света излучателями часть его будет отражаться как от ближнего, так и от дальнего торца световода и попадать на фотоприемники, расположенные вплотную к излучателям. Потери света увеличиваются вследствие того, что площадь, занимаемая фотоприемниками, составляет значительно меньше 50% площади сердцевины световода, по которому распространяется свет, как из-за присутствия излучателей, расположенных на той же площадке, так и из-за наличия обязательных защитных барьеров между приемниками и излучателями.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство компактного моностатического приемопередатчика (патент США US20120154783 А1 от 9 ноября 2010, МПК G02B 6/32, «СОМРАСТ MONOSTATIC OPTICAL RECEIVER AND TRANSMITTER»), которое и выбрано в качестве прототипа.
Компактный моностатический приемопередатчик состоит из передающего волокна, соединенного с передатчиком, приемного волокна, соединенного с приемником, объединенных через волоконно-оптический дуплексер, торец выходного волокна которого находится в фокусе оптической моностатической системы. Дуплексер выполнен на основе волокна с двойной оболочкой (ВДО), при этом излучение передатчика распространяется через сердцевину ВДО, а принимаемое излучение сосредоточено во внутренней оболочке ВДО. Разделение каналов осуществляется за счет того, что ВДО сплавлено с многомодовым волокном так, чтобы обеспечить оптический контакт для перехода принимаемого излучения с внутренней оболочки волокна с двойной оболочкой в многомодовое волокно, которое является приемным и состыковано с приемником оптического излучения.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность конструкции волокна с двумя оболочками, небольшой уровень изоляции между приемником и передатчиком (обратного отражения), потери для входного излучения (на серийных образцах эта величина достигает 3 дБ).
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства моностатического оптического приемопередатчика, а именно увеличение уровня изоляции, уменьшение потерь принимаемого излучения и возможность использования обычных, многомодовых и одномодовых оптических волокон с одной оболочкой.
Технический результат достигается тем, что моностатический оптический приемопередатчик, содержащий передающее оптическое волокно, соединенное с передатчиком, приемное оптическое волокно, соединенное с приемником, объединенные через волоконно-оптический дуплексер, торец выходного волокна которого размещен вблизи фокальной плоскости моностатической оптической системы, отличается тем, что:
передающее оптическое волокно выполнено в виде световода с одной оболочкой, имеющего числовую апертуру NA1, диаметр сердцевины D1 и показатель преломления сердцевины n1,
приемное и выходное оптическое волокно выполнено в виде единого световода с одной оболочкой, имеющего числовую апертуру NA2, диаметр сердцевины D2 и показатель преломления сердцевины n2,
дуплексер выполнен в виде углового оптического соединения передающего и приемного волокна так, чтобы выполнялось соотношение
,
где α - угол между геометрическими осями приемного и передающего волокна, отсчитываемый от конца волокна, соединенного с фотоприемником,
торец выходного волокна дуплексера шлифован под углом (90°-β) к геометрической оси выходного волокна при условии, что угол β лежит в диапазоне
,
а также при условии, что NA2/n2>NA1/n1 и D2>D1.
Угловое оптическое соединение передающего и приемного волокон выполняется путем сплавного изготовления X-разветвителя из двух волокон, причем оставшийся свободный конец волокна, соединенного с передатчиком, обрабатывается под углом β, или выполняется в виде шаровой поверхности с радиусом, значительно большим, чем диаметр сердцевины, или наматывается на катушку с радиусом изгиба, меньшим критического.
Работа предлагаемого устройства поясняется Фиг. 1, где изображено устройство моностатического оптического приемопередатчика. Цифрами на чертеже обозначено:
1 - фотоприемник;
2 - оптическое волокно, присоединенное к фотоприемнику;
3 - источник излучения;
4 - оптическое волокно, присоединенное к источнику излучения;
5 - дуплексер;
6 - выходное оптическое волокно;
7 - приемопередающая моностатическая оптическая система;
8 - передаваемое излучение;
9 - принимаемое излучение.
Устройство моностатического оптического приемопередатчика содержит: фотоприемник 1, присоединенный к оптическому волокну 2; источник излучения 3, соединенный с оптическим волокном 4; дуплексер 5, соединенный оптическими волокнами 2 и 4 с фотоприемником 1 и источником излучения 3 соответственно, а торец выходного волокна 6 дуплексера 5 размещен в фокусе моностатической оптической системы 7.
Дуплексер 5 обеспечивает разделение передаваемого 8 и принимаемого 9 излучений за счет сварного соединения приемного волокна 2, имеющего диаметр сердцевины D2, числовую апертуру NA2 и показатель преломления сердцевины n2, и оптического волокна 4, соединенного с передатчиком и имеющего диаметр сердцевины D1, числовую апертуру NA1 и показатель преломления сердцевины n1, при этом NA2/n2>NA1/n1 и D2>D1. Оптическое волокно 4 оптически соединено с боковой поверхностью оптического волокна 2 под углом α, отсчитываемым со стороны конца оптического волокна 2, соединенного с фотоприемником 1, таким образом, чтобы выполнялось условие
.
Торец выходного конца 6 дуплексера 5, оптически соединенный с приемопередающей моностатической оптической системой 7, шлифован под углом (90-β) к оси выходного волокна при условии, что
.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "новизна".
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как "изобретательский уровень".
Моностатический оптический приемопередатчик работает следующим образом.
Лазерное излучение от лазера или после оптического усилителя, создаваемое источником излучения 3, направляется в оптическое волокно 4 (например, кварцевое одномодовое с NA1=0.12, D1=8 мкм, n1=1.485). Затем излучение по этому волокну входит в дуплексер 5, который образован сваркой волокна 4 и оптического волокна 2 (например, кварцевого многомодового с NA2=0.27, D2=62.5 мкм, n2=1.485) под углом α.
В соответствии с законами оптики внутри оптического волокна могут распространяться моды оптического излучения только с углами, обеспечивающими полное внутреннее отражение. Данное излучение, выходящее из волокна, характеризуется числовой апертурой NA, которая равна NA=Sin(γ), где γ - половинный угол расходимости излучения, вышедшего из оптического волокна в воздух. Соответственно числовая апертура излучения внутри волокна равна , где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна. Поэтому при вводе излучения из одного волокна в другое угол ввода входящего излучения должен создать условия, при которых угловые параметры вводимого излучения обеспечили бы полное внутреннее отражение при распространении данного излучения в другом волокне. Вывод условий для такого согласования показан на Фиг. 2. На Фиг. 2 введены обозначения:
1 - оптическая ось вводимого излучения;
2 - оптическая ось многомодового оптического волокна;
3 - многомодовое волокно;
α - угол между оптической осью вводимого излучения и оптической осью многомодового волокна;
θ1 - угол расходимости вводимого излучения, соответствующий числовой апертуре оптического волокна 4;
θ2 - угол расходимости излучения, соответствующий числовой апертуре многомодового оптического волокна 2.
Углы θ1 и θ2 связаны соотношениями с числовыми апертурами оптических волокон следующими выражениями:
Поскольку должно выполняться условие полного внутреннего отражения, то из Фиг. 2 следует, что угол между оптической осью вводимого излучения и оптической осью многомодового волокна должен соответствовать условию, чтобы конус оптического вводимого излучения находился внутри конуса допустимых углов распространения излучения в многомодовом волокне. Исходя из Фиг. 2 это сводится к условию
α<θ2-θ1 или .
Например, для указанных выше параметров волокна 4 и волокна 2 это условие выполняется при Sin(α)<0,101 или α<5,8°. Если угол α не будет выполнять это условие, то часть вводимого излучения выйдет из многомодового волокна, и это приведет к потерям на излучение. Следует также отметить, что еще одним дополнительным условием работы дуплексера является соотношение NA2/n2>NA1/n1. Это связано с тем, что при уменьшении разницы величин NA2/n2-NA1/n1 угол α стремится к нулю. Для одинаковых оптических волокон (например, в оптоволоконных разветвителях) при равенстве указанных величин возникает оптическая передача из одного волокна в другое с использованием оптического «туннельного» перехода оптического излучения, которое зависит от длины волны излучения и длины оптического контакта. Это обеспечивает работу разветвителя для целей разделения исходного излучения по разным каналам, но приводит к большим потерям как на ввод, так и на прием излучения (суммарно более 7 дБ) в случае его использования в качестве дуплексера, который по своей сути является оптическим циркулятором.
После ввода оптического излучения через дуплексер 5 в многомодовое волокно 2 это излучение без потерь, но с измененным пространственным распределением достигнет торца выходного волокна 6, оба волокна на практике составляют единое целое. Для исключения обратного отражения излучения 8 от торца оптического волокна 6 торец шлифован под углом 90°-β к оси оптического волокна 6. Данный угол должен соответствовать условию, чтобы излучение 8 распространяющееся внутри волокна с максимально допустимым углом, соответствующим числовой апертуре NA2/n2, при отражении от полированного торца на двойной угол β не лежало внутри конуса с углом, соответствующим числовой апертуре NA2/n2. Данное требование выполняется при условии, что
.
С другой стороны, угол β не должен превышать угла полного внутреннего отражения для всех мод в многомодовом волокне, что выполняется при условии
.
Таким образом, на угол β накладывается условие
.
Так, например, для многомодового волокна 6 с указанными ранее параметрами 0,492>Sin(β)>0,183 или 29,4°>β>10,5°.
0
При исключении отраженного излучения остается еще рассеянный свет. Для оптически полированных поверхностей доля рассеянного света составляет 0,1-0,01% от мощности падающего на поверхность излучения. Если принять, что излучение рассеивается во все стороны, то только та доля рассеянного излучения, которая попадает в телесный угол, соответствующий числовой апертуре NA2/n2, возвращается назад. Таким образом, доля Р излучения 8 Р, которая может вернуться назад, определяется выражением
,
или коэффициент изоляции I в децибелах
,
где K - коэффициент рассеяния. Для приведенных ранее параметров многомодового волокна расчетный коэффициент изоляции должен составлять минус 51-61 дБ.
Затем выходное излучение 8 выходит через торец волокна 6 в пространство и поступает в оптически сопряженную моностатическую оптическую систему. Оптическая система может быть линзовой, зеркальной или зеркально-линзовой. Данная система формирует требуемый в зависимости от применения пучок излучения 8 необходимой расходимости и направляет его в открытое пространство. В случае лидара это излучение отражается от цели и возвращается назад, а в случае систем беспроводной оптической связи на вход моностатической оптической системы поступает излучение от удаленного терминала.
Принимаемое излучение 9 (фиг. 1) фокусируется на торце волокна и попадает в сердцевину волокна 6, где оно канализируется в пределах его числовой апертуры. По условиям работы оптических приборов пространственное, амплитудное и фазовое распределение параметров света на приеме никогда не соответствует аналогичным параметрам при его излучении. Поэтому при распространении принимаемого излучения через дуплексер 5 в нем создается совершенно другое модовое состояние излучения. При прохождении этого нового состава пространственного распределения излучения через сечение ввода излучения передатчика, часть излучения может перетекать в волокно 4, приводя к потерям излучения. Эти потери пропорциональны площади контакта волокон 2 и 4, которая зависит от угла сварки волокон α, от отношения квадрата числовых апертур этих волокон, а также от модового состава излучения, возбуждаемого в волокне принимаемым сигналам. Проведенные оценки для указанных выше параметров волокон показывают, что потери от перетекания излучения в волокно 4 могут составлять от 0,6 до 25% в зависимости от угла сварки. Практическое измерение потерь при возбуждении волокна принимаемым сигналом с углом сходимости, соответствующим 0,8*NA2, показало величину потерь в пределах 10%.
Условие патентоспособности "промышленная применимость" подтверждено на примере конкретного осуществления заявляемого приемопередатчика для оптического беспроводного устройства связи.
При практической реализации заявляемого решения дуплексор каналов изготавливался на основе сплавного (сварного) X-разветвителя. Для его изготовления были использованы стандартные кварцевые волокна для телекоммуникаций: одномодовые 9/125, соответствующие стандартам G.652C и IEC 60793-2-50 Туре В 1.3, и многомодовые 62,5/125 по стандарту IEC 60793-2-10 Type A 1.b. Технология сплавления волокон позволяла получить их оптическое соединение с углом α в пределах 1,5-3 градуса. Для исключения обратного отражения от свободного 4-го конца одномодового волокна его торец обрабатывался под сферу с радиусом 2 мм путем нанесения капли компаунда с близким к 1,485 значением коэффициента преломления. Выходное волокно дуплексера полировалось в плоскость с оптическим качеством под углом β=13 градусов. В качестве моностатической оптической системы для приемопередатчика использовался трехлинзовый объектив дифракционного качества с фокусным расстоянием 200 мм. В качестве передатчика использовался лазер с длиной волны 1550 нм, а в качестве приемника - PIN фотодиод.
Измерение параметров моностатического оптического приемопередатчика продемонстрировало следующие результаты: потери излучения на передачу - до 10%, потери излучения на прием - до 15%, изоляция каналов составила 62÷64 дБ.
Таким образом, суммарные потери в приемопередатчике (передача плюс прием) составляют не более 1 дБ, а измеренная величина изоляции каналов оказалась даже лучше расчетной величины. Это можно объяснить тем, что рассеяние на полированном торце волокна имеет не всенаправленный характер, как это было принято в расчетной модели, а более вытянутую вперед индикатрису, что соответствует закону рассеяния Ми.