ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ НА МНОГОСЕРДЦЕВИННОМ ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ
DELAY LINES ON MULTI-CORE OPTICAL FIBER

Изобретение относится к волоконной оптике и, в частности к линиям задержки сигнала на основе многосердцевинного оптического волокна.
Для различных систем обработки радиочастотного сигнала, связанных, например, с формированием диаграммы направленности фазированных антенных решеток, необходимо использование линий задержки. При этом в ряде задач необходимы линии задержки, обеспечивающие значительную задержку радиочастотного сигнала, например, на время, свыше 100 мкс. В настоящее время для этих целей наиболее активно используются устройства цифровой электронной памяти. Они достаточно эффективны для создания длительных времен задержек сигнала. Однако данные устройства довольно сложны и состоят из большого количества сложных электронных схем и элементов. Кроме того, данные устройства обладают высоким энергопотреблением, высоким уровнем паразитных шумов, уязвимостью к воздействию электромагнитных помех и склонностью к возникновению перекрестных помех между различными сигналами.
g
g
Другим вариантом создания систем запоминания сигнала или временной задержки сигнала являются волоконно-оптические линии задержки. В волоконно-оптических линиях задержки задержка радиочастотного сигнала достигается следующим образом: излучение непрерывного узкополосного источника оптического излучения модулируется радиочастотным сигналом, который необходимо обработать, после чего подается в оптическое волокно. За счет распространения по оптическом волокну данный сигнал задерживается на время τ=(L⋅n)/c, где n - групповой показатель преломления сердцевины оптического волокна, L - длина оптического волокна, с - скорость света в вакууме. После прохождения оптического волокна сигнал попадает на фотоприемник и преобразуется в электрический радиочастотный сигнал, с задержкой τ относительно исходного радиочастотного сигнала.
Преимуществом волоконно-оптической линии задержки по сравнению с цифровой радиочастотной памятью является более простое устройство, устойчивость к электромагнитным помехам, меньшие паразитные шумы и перекрестные помехи между сигналами. Основным недостатком волоконно-оптических линий задержки по сравнению с цифровой радиочастотной памятью является большие габариты и масса, необходимые для получения больших времен задержки (100 мкс и более). Это связанно с большой длиной оптического волокна, необходимого для получения длительных времен задержки. Наличие больших габаритов и массы устройств обработки радиочастотного сигнала является нежелательным, особенно с точки зрения использования данных устройств на борту летательных аппаратов.
В патенте US 4976518 предложен способ уменьшения количества волокон и общей длины волокна, а следовательно, и массы оптического волокна, в фиксированной многоканальной линии задержки, по сравнению с многоканальными линиями задержки, предложенными до этого в US 4128759 и Newton et. al. "Single-mode Fiber lxN Directional Coupler", Opt. Lett. 8, 60 (1983). В фиксированных многоканальных линиях задержки исходный входной сигнал разделяется на несколько каналов, в каждом из которых производится задержка сигнала на заданное, фиксированное для каждого канала, время. В отличие от многоканальных линий задержки, предложенных в US 4128759 и Newton et. al. "Single-mode Fiber lxN Directional Coupler", Opt. Lett. 8, 60 (1983), где в качестве каждого из каналов использовалось отдельное односердцевинное оптическое волокно, в US 4976518 уменьшение длины и количества волокон достигалось за счет того, что различные каналы частично используют одни и те же участки оптического волокна.
Наиболее близким техническим решением является линия задержки, раскрытая в документе WO 2013178847 А1, опубл. 05.12.2013, и содержащая источник оптического сигнала, высокочастотный модулятор, и многосердцевинное оптическое волокно. В известном решении многосердцевинное оптическое волокно имеет различные параметры сердцевин, и, следовательно, различный групповой показатель преломления мод различных сердцевин. Групповой показатель преломления моды сердцевины определяет величину групповой задержки и будет различен для разных сердцевин, а следовательно, будет различна и величина групповой задержки для каждой из сердцевин при одной и той же длине. Различные групповые показатели преломления мод сердцевин многосердцевинного оптического волокна могут быть достигнуты за счет различия химического состава, диаметра или показателя преломления каждой из сердцевин. Таким образом, в таком оптическом волокне сигнал на входе, поданный одновременно во все сердцевины, на выходе оптического волокна будет приобретать различную задержку в различных сердцевинах. Известное решение раскрывает именно многоканальные линии задержки, каждый канал которой осуществляет определенную, отличную от другого канала задержку сигнала (с постоянной разностью задержек между соседними каналами).
g
Тем не менее, и для одноканальных линий задержки, и для многоканальной линии задержки, для получения значительной величины оптической задержки τ требуется значительная длина оптического волокна, не менее L=(τ⋅c)/n. Поскольку это увеличивает массу и габариты устройства, что нежелательно, особенно для использования на борту летательных аппаратов, существует необходимость снижения длины оптического волокна по сравнению с существующими решениями.
Техническим результатом заявленного изобретения является сокращение длины волокна, а следовательно, массы и габаритов, который достигается за счет использования последовательного прохождения сигнала по различным сердцевинам многосердцевинного волокна.
Технический результат в соответствии с заявленным изобретением достигается тем, что волоконно-оптическая линия задержки содержит последовательно соединенные оптический вход, первое устройство ввода-вывода, многосердцевинное оптическое волокно, второе устройство ввода-вывода, и оптический выход, при этом по меньшей мере две сердцевины многосердцевинного оптического волокна последовательно соединены с помощью подводящих односердцевинных оптических волокон.
Технический результат достигается также тем, что линия задержки дополнительно содержит волоконно-оптический разветвитель, расположенный между оптическим входом и первым устройством ввода-вывода, который разделяет поступающий на его вход оптический сигнал по меньшей мере на два канала таким образом, что выход первого канала является выходом устройства с нулевой задержкой, выходы последующих каналов являются выходами устройства с величиной задержки в каждом канале большей, чем предыдущее на время прохождения сигнала через по меньшей мере одну сердцевину многосердцевинного оптического волокна.
Технический результат достигается также тем, что линия задержки, дополнительно содержащая оптический разветвитель, выход которого является оптическим выходом, а также по меньшей мере один переключатель, расположенный между оптическим входом и первым устройством ввода-вывода и подающий сигнал либо на оптический выход, либо в сердцевину многосердцевинного оптического волокна, и по меньшей мере один переключатель, расположенный между вторым устройством ввода-вывода и оптическим разветвителем, и подающий сигнал либо в сердцевину многосердцевинного оптического волокна, либо на оптический выход.
Краткое описание чертежей:
- фиг. 1 - поперечное сечение многосердцевинного оптического волокна;
- фиг. 2 - одноканальная линия задержки в соответствии с первым вариантом осуществления;
- фиг. 3 - фиксированная многоканальная линия задержки в соответствии со вторым вариантом осуществления;
- фиг. 4 - переключаемая линия задержки в соответствии с третьим вариантом осуществления;
- фиг. 5 - пример комбинации переключаемых и фиксированных линий задержек.
Многосердцевинные оптические волокна были предложены в S. Inao, Т. Sato, S. Sentsui, Т. Kuroha, Y. Nishimura, "Multicore Optical Fiber," Proc. Optical Fiber Communication Conference. 1979. P.WB1 и представляют собой оптические волокна с несколькими сердцевинами, расположенными в оболочке из кварцевого стекла. Каждая сердцевина оптического волокна служит независимым каналом передачи сигнала. Один из вариантов поперечного сечения многосердцевинного оптического волокна 40, с семью сердцевинами 41а-41ж, расположенными в гексагональном порядке в оболочке из кварцевого стекла 42, и окруженного полимерной оболочкой 43, показан на фиг. 1.
На фиг. 2 представлен вариант одноканальной линии задержки 1 на многосердцевинном оптическом волокне 6 с семью сердцевинами 5а-5ж, содержащей оптический вход 3, первое и второе устройства ввода-вывода 4а и 4б и оптический выход 9. Сердцевины многосердцевинного волоконного световода 5а-5ж должны являться одномодовыми на рабочей длине волны оптического излучения.
1
g
g
Устройство работает следующим образом. На оптический вход 2 подается сигнал, для которого необходимо создать задержку на время τ. Данный сигнал может, например, представлять собой сигнал узкополосного полупроводникового лазера на оптической частоте, модулированного с частотой радиосигнала (на фиг. 2 не показан). По подводящему односердцевинному оптическому волокну 3 сигнал поступает в устройство ввода-вывода 4а. Устройство ввода-вывода 4а (и 4б) предназначено для ввода и вывода излучения из многосердцевинного оптического волокна 6 в односердцевинные оптические волокна 3, 7а-7м, 9. Варианты исполнения такого устройства хорошо известны и это устройство является коммерчески доступным (например, у фирм Mitsubishi cable industries и Fiber Core). Далее сигнал вводится в первую сердцевину 5а многосердцевинного оптического волокна 6, проходит по ней и через устройство ввода-вывода 4б попадает в односердцевинное оптическое волокно 7а. Проходя по сердцевине многосердцевинного оптического волокна длиной L, оптический сигнал приобретает задержку τ=(Ln)/с, где n - групповой показатель преломления моды сердцевины световода, который на длине волны 1.55 мкм в стандартном телекоммуникационном оптическом волокне SMF-28 составляет величину 1.4682, с - скорость света в вакууме. Выйдя из сердцевины 5а сигнал вводится в односердцевинное оптическое волокно 7а. После прохождения по односердцевинному оптическому волокну 7а сигнал проходит через место сварного соединения 8а и попадает в односердцевинное оптическое волокно 7б. Соединение волокон 7а и 7б может также быть осуществлено любым другим способом, например путем стыковки разъемов. В подводящих оптических волокнах 7а и 7б оптический сигнал также приобретает задержку, однако в случае, если длина односердцевинных оптических волокон много меньше длины многосердцевинного оптического волокна L, задержкой в подводящих односердцевинных волокнах можно пренебречь.
1
1
Пройдя по односердцевинному волокну 7б, сигнал поступает в устройство ввода-вывода 4б, а затем во вторую сердцевину 5б многосердцевинного волокна 6. Проходя по ней сигнал также испытывает задержку τ, суммарная задержка сигнала на выходе из сердцевины 5б, в случае, если длина оптических волокон 7а и 7б много меньше L, равна 2τ.
1
Далее, сигнал проходит по остальным сердцевинам 5в-5ж многосердцевинного оптического волокна, в результате чего на выходе из сердцевины 5ж, в случае, если длина подводящих односердцевинных волокон много меньше L, приобретает оптическую задержку 7τ. Выйдя из последней сердцевины 5ж, сигнал поступает в односердцевинное волокно 9 оптического выхода. Далее сигнал может быть подан на фотоприемник (не показан) и вновь преобразован в электромагнитный сигнал радиочастотного диапазона.
1
g
Таким образом, для получения суммарной задержки сигнала τ необходимо, чтобы τ было в семь раз меньше τ, и, следовательно, длина многосердцевинного оптического волокна с семью сердцевинами составляла L=(τ/7)⋅с/n.
8
g
Можно оценить снижение объема, занимаемого оптическим волокном, и его массы, происходящее за счет замены односердцевинного оптического волокна на семисердцевинное. Для оценок выберем, например, время задержки, равное τ=100 мкс и параметры сердцевины стандартного телекоммукационного волокна SMF-28. Поскольку с=3⋅10 м/с, n=1.4682, то:
g
8
-6
L=c⋅τ/n≈3⋅10 м/с ⋅ 100⋅10 с /1.4682≈20.4 км,
то, для обеспечения временной задержки сигнала 100 мкс необходимо около двадцати километров односердцевинного оптического волокна. Можно оценить приблизительный объем и массу, 20 км односердцевинного оптического волокна.
s
s
3
3
Сначала оценим массу 20 км односердцевинного оптического волокна. Минимальный диаметр оболочки из кварцевого стекла D, при котором с оптическим волокном удобно манипулировать, составляет 80 мкм. Для обеспечения достаточной механической прочности толщина полимерного покрытия при этом должна составлять не менее 50 мкм. При комнатной температуре плотность кварцевого стекла составляет ρ=2.2 г/см, плотность полимерного покрытия примерно ρр=1 г/см. Следовательно, 20 км такого волокна весят:
,
p
где D - диаметр полимерного покрытия.
3
Путем подстановки численных значений получаем, что 20 км оптического волокна с диаметром оболочки из кварцевого стекла 80 мкм и полимерной оболочки 180 мкм весят 629 г. Объем такого волокна будет составлять 508 см.
3
При использовании семисердцевинного оптического волокна, показанного на фиг. 1, для получения такой же временной задержки сигнала требуется длина в семь раз меньше, чем в случае использования односердцевинного оптического волокна, то есть не 20 км, а 2.86 км. В отличие от односердцевинного оптического волокна, оболочка из кварцевого стекла которого может быть уменьшена до диаметра 80 мкм, в семисердцевинном оптическом волокне для предотвращения оптической связи между модами соседних сердцевин необходима оболочка большего диаметра. Приемлемым значением диаметра оболочки из кварцевого стекла семисердцевинного оптического волокна является 200 мкм. При этом толщина полимерного покрытия, необходимого для обеспечения механической прочности и надежности оптического волокна, также может быть равной 50 мкм. Масса и объем семисердцевинного оптического волокна с диаметром оболочки из кварцевого стекла - 200 мкм, диаметром полимерной оболочки - 300 мкм и длине волокна 2.86 км составляют соответственно 309 г и 202 см. Полученные значения более чем в два раза меньше значений, полученных для односердцевинного оптического волокна. Поскольку масса и объем многосердцевинного волокна значительно меньше, чем односердцевинного, необходимого для обеспечения той же временной задержки, использование многосердцевинного оптического волокна позволяет уменьшить габариты и массу линии задержки.
g
Другим вариантом настоящего изобретения является многоканальная фиксированная линия задержки 10 (фиг. 3), осуществляющая разделение входящего оптического сигнала между несколькими каналами и задержку сигнала на определенное время в каждом из каналов. Для ряда задач необходимо, чтобы разница времен задержек между каналами была кратной определенному значению, например, если в первом канале осуществляется, нулевая (очень малая) задержка, во втором канале осуществляется задержка τ, в третьем 2τ и т.д. На фиг. 3 изображена такая фиксированная четырехканальная линия задержки на основе семисердцевинного оптического волокна 16, которая осуществляет разделение поступающего на оптический вход 11 оптического сигнала с помощью волоконно-оптического разветвителя 12 на четыре сигнала c1, с2, с3, с4, имеющих одинаковую мощность. Сигнал c1 на выходе устройства приобретает условно нулевую оптическую задержку, сигнал с2 - задержку τ, с3-2τ и с4-3τ. Первый сигнал c1 поступает в канал с нулевой (малой) задержкой, представляющий собой односердцевинное оптическое волокно 13а малой длины, и поступает на оптический выход устройства 18. Второй сигнал с2 вводится в односердцевинное оптическое волокно 13б и через устройство ввода-вывода 14а поступает в одну из сердцевин 15а многосердцевинного волокна 16. Пройдя по сердцевине, сигнал приобретает временную задержку τ=(L⋅n)/c, где L - длина многосердцевинного оптического волокна. Затем через устройство ввода-вывода 14б сигнал вводится в односердцевинное оптическое волокно 13в и поступает на оптический выход линии задержки 18. Третий сигнал с3 проходит по двум сердцевинам 15б и 15в многосердцевинного оптического волокна 16 и приобретает задержку 2τ, сигнал с4 - проходит три сердцевины многосердцевинного оптического волокна 15г, 15д и 15е, после чего приобретает задержку 3τ. Таким образом, величина задержки в каждом канале больше, чем предыдущая на время прохождения сигнала через одну сердцевину многосердцевинного оптического волокна.
Другим вариантом настоящего изобретения является переключаемая линия задержки. Данное устройство в каждый момент времени осуществляет одну из заданного диапазона задержек сигнала. Для ряда задач необходимо устройство, осуществляющее дискретный набор задержек сигнала, такой, чтобы разница между задержками в различные моменты времени была кратной τ, а именно 0, τ, 2τ, …Nτ. Схема переключаемой линии задержки на многосердцевинном оптическом волокне, осуществляющая в каждый момент времени одну из задержку оптического сигнала на время от 0 до 7τ с интервалом τ (0, τ, 2τ, …7τ), представлена на фиг. 4. Оптический сигнал, поступающий на оптический вход 21, при одном из положений переключателя 23а вводится в канал, осуществляющий нулевую задержку сигнала, то есть в односердцевинное оптическое волокно малой длины 24а. Переключатель 23а (23б-23е) представляет собой, например, микроэлектромеханический переключатель (MEMS). В другом положении переключателя 23а сигнал вводится в односердцевинное оптическое волокно 24б и, через устройство ввода-вывода 25а, вводится в сердцевину 26а многосердцевинного оптического волокна 27. Пройдя по сердцевине 26а многосердцевинного оптического волокна, сигнал получает временную задержку τ=Lng/c, и с помощью переключателя 23б может быть подан либо на выход линии задержки (односердцевинное оптическое волокно 24у), либо в следующую сердцевину многосердцевинного оптического волокна (через односердцевинное оптическое волокно 24д). После прохождения второй сердцевины 26б многосердцевинного оптического волокна 27, сигнал приобретает задержку 2τ, и с помощью переключателя 23в может быть подан либо на выход линии задержки (волокно 24р), либо в третью сердцевину 26в многосердцевинного оптического волокна 27. Аналогично могут быть получены задержки сигнала на время 3τ, 4τ, 5τ, 6τ и 7τ. На выходе линии задержки различные каналы объединяются с помощью оптического разветвителя 28, так что выходом переключаемой линии задержки является одно односердцевинное оптическое волокно 29.
Для увеличения числа каналов, то есть диапазона задержек, в схемах переключаемой и фиксированной многоканальной линии задержки может быть использовано несколько отрезков многосердцевинного оптического волокна.
Также для увеличения диапазона величин задержек, переключаемые и фиксированные линии задержки могут быть включены последовательно или параллельно в различной комбинации. Пример такой схемы показан на фиг. 5.
Переключаемая линия задержки 20, осуществляющая задержку сигнала 0, τ1, 2τ1, 3τ1 последовательно включена в схему с двумя фиксированными многоканальными линиями задержки 10, каждая из которых осуществляет задержку сигнала на время 0, τ2, 2τ2, 3τ2 и одноканальной линией задержки 1, осуществляющей задержку на время 4τ2. Две фиксированные линии задержки 10 включены в схему параллельно. На выходе такой системы может быть получен набор задержек сигнала xτ1, xτ1+τ2…xτ1+7τ2, где х=0…3.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (шифр проекта RFMEFI60715X0138).