Использование реверсивных оптических сред для мультиплексирования / демультиплексирования оптических сигналов в волоконно-оптических устройствах связи

УДК 621.372.8

Р.В. Быков, Н.М. Ушаков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕВЕРСИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СРЕД ДЛЯ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ/ДЕМУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ СВЯЗИ

Показано, что в качестве дифракционных элементов волоконнооптических устройств мультиплексирования и демультиплексирования оптических сигналов можно использовать реверсивные фоторефрактивные многослойные среды. Такие среды широко используются в DVD-RW и CD-RW дисках для записи цифровых оптических сигналов. Обсуждаются преимущества фоторефрактивных решеток по сравнению с традиционными дифракционными решетками.

R.V. Bykov, N.M. Ushakov

REVERSE OPTICAL MEDIA USE FOR MULTIPLEXING/DEMULTIPLEXING OF OPTICAL SIGNALS IN FIBER-OPTIC COMMUNICATION DEVICES

It is shown, that reverse photorefractive multilayer media can be used as diffraction elements in fiber-optic devices for multi- and demultiplexing of optical signals. Such as mediums has been extensively used in DVD-RW and CD-RW optical discs for writing of digital optic signals. Some preferences of photorefractive gratings as compared with normal ones are discussed.

Для повышения пропускной способности современных оптических линий связи все большее применение находят технология спектрального уплотнения каналов WDM (wavelength-division multiplexing) и ее развивающиеся направления такие, как DWDM (dense wavelength-division multiplexing) и CWDM (course wavelength-division multiplexing). Эти два вида технологии спектрального уплотнения отличаются величинами интервалов между каналами разделения и уровнем техники, необходимой для их выполнения. Так, DWDM предполагает интервалы между каналами 3,2; 1,6 и 0,8 нм (100, 200 и 400 ГГц) и дорогостоящую технику, включая стабилизированные по частоте полупроводниковые лазеры, кросс-коннекторы, циркуляторы и т.д. Более простой и доступной технологией считается техника CWDM, которая снижает требования к величинам интервалов между каналами до 20 нм и предполагает использование более простых и дешевых лазеров и прочих устройств [1].

Основными устройствами в технике спектрального уплотнения являются мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексор/демультиплексор - пассивное оптическое устройство, предназначенное для объединения/разделения оптических сигналов, имеющих различные оптические несущие (длины волн). Современные устройства уплотнения каналов обеспечивают до 80 несущих с интервалом 50 ГГц и скоростью передачи данных от 2,5 до 10 ГГц [2]. Мультиплексоры и демультиплексоры

WDM строятся на основе таких оптических устройств, как призмы, тонкопленочные интерференционные фильтры, дифракционные решетки, оптические разветвители, световолоконные упорядоченные жгуты AWG (arrayed waveguide grating) [1]. В последнее время значительный интерес исследователей вызывают фоторефрактивные среды как одномерные фотонные периодические структуры с перестраиваемой запрещенной зоной (one-dimensiona, photonic band-gap structures) [3]. Использование брэгговских

фоторефрактивных решеток PBG (photorefractive Bragg grating) в оптических световодах позволяет создавать малогабаритные и недорогие устройства уплотнения каналов [4]. Современные системы уплотнения каналов передачи данных состоят из оптических и быстродействующих электронных компонентов, что значительно удорожает стоимость оборудования. Однако, спектральное оптическое мультиплексирование может осуществляться на основе полностью пассивного оборудования. Наиболее привлекательной технологией волнового уплотнения является мультиплексирование на основе дифракционных решеток, так как вносимые ими потери практически не зависят от числа оптических каналов, а также возможно осуществление полностью дуплексной передачи информации по одному оптическому волокну. Схематическое изображение оптического мультиплексора на основе дифракционной решетки изображено на рис. 1. Принцип работы такого мультиплексора основан на пространственном угловом разделении оптических волн с разной длиной волны, падающих на дифракционную решетку под углом Брэгга [5]. При этом основным недостатком такого устройства следует считать постоянство параметров решетки и, следовательно, отсутствие возможности управления амплитудно-фазовыми характеристиками функции передачи дифракционной решетки.

Дифракционная

решетка

Оптический коллиматор Оптическая призма

Рис. 1. Схематическое изображение оптического мультиплексора на основе дифракционной решетки [5]

Избежать указанных недостатков позволяет использование в качестве решеток фоторефрактивных периодических сред, способных изменять период решетки и коэффициента отражения без изменения структуры устройства в целом. Поэтому целью настоящей работы явилось рассмотрение возможности использования фоторефрактивной среды в качестве брэгговской решетки мультиплексора/ демультиплексора WDM.

Особенностями мультиплексора на основе реверсивной фоторефрактивной среды являются фоторефрактивная среда, из которой изготовлена дифракционная решетка и способ ее изготовления. В настоящей работе предложено в качестве материала для реализации такой решетки использовать фрагмент DVD-RW носителя информации, в частности, его чувствительный слой (рис. 2, а, б). Способ записи решетки на чувствительный слой основан на голографическом двухволновом методе записи информации [6]. Поскольку фоторефрактивная среда является оптически нелинейной средой, процессы гетеродинирования оптических сигналов с разностной

пространственной частотой позволяют выделить сигналы разностной частоты, что является результатом записи решетки с периодом, равным обратной величине разностной пространственной частоты. В данной работе мы не будем останавливаться на физике процессов записи фоторефрактивной решетки, описываемых моделью Кухтарева-Винецкого. Физические принципы записи оптических сигналов в фоторефрактивных средах достаточно полно описаны во многих работах (см. например [7]).

Теперь подробнее остановимся на способе записи такой решетки. В исходном состоянии чувствительный слой находится в кристаллическом состоянии. В процессе записи лазерное излучение нагревает чувствительный слой выше точки плавления (500-700°С), после чего, быстро охлаждаясь благодаря высокой теплопроводности фрагмента диска, облученная область чувствительного слоя остается в аморфном состоянии. Материал чувствительного слоя имеет в аморфном и кристаллическом состояниях разные коэффициенты преломления. Например, для Ое5БЬ2Те8 в аморфном состоянии показатель преломления 2,6, а в кристаллическом - 2,0. При записи БУО-К^ диска мощность лазерного излучения составляет от 8 до 15 мВт в зависимости от материала диска. Если на поверхность чувствительного слоя БУО-К^ диска нанести периодический рисунок в виде бороздок с различными коэффициентами преломления, то возможно его использование в качестве дифракционной решетки (рис. 2, б). На поверхность кристалла необходимо нанести периодический рисунок в виде интерференционного узора, сформированного двумя лазерными лучами в нелинейной среде. Такая модель характеризуется периодическим пространственным изменением интенсивности излучения в объеме голограммы.

а) б)

Рис. 2. Структура слоев DVD-RW диска: а - до записи; б - после записи

Схематическое изображение способа записи реверсивной решетки изображено на рис. 3. Под одним и тем же углом на поверхность диска падают два симметричных

лазерных пучка. На поверхности кристалла, в результате воздействия на него

интерференционного лазерного излучения, возникает периодическая структура в виде бороздок с различными показателями преломления. Период такой структуры зависит от угла падения записывающих лучей на поверхность кристалла и длины волны записывающего лазерного излучения.

Применение прямоугольной стеклянной призмы при записи реверсивной решетки позволяет

использовать один источник лазерного

излучения для образования двух пучков.

Основные условия для произведения записи реверсивной дифракционной решетки Рис- 3 Схематическое из°бражение

приведены в таблице. способа записи реверсивной решетки

Отклоняющая система состоит из оптической призмы и дифракционной решетки. Дифракционная решетка выполняет роль пространственного фильтра, принцип работы которого основан на отражении от решетки полихроматического гомоцентрического оптического пучка. При отражении от дифракционной решетки происходит разложение полихроматического оптического сигнала на отдельные монохроматические составляющие с различными длинами волн. Оптическая призма позволяет использовать одну оптическую систему и для фокусирования отраженного от решетки оптического излучения, и для коллимирования входного полихроматического оптического пучка. Также использование оптической призмы позволяет увеличить разность углов отражения между оптическими пучками различных длин волн, что позволяет предъявлять менее жесткие требования к разрешающей способности используемой оптической системы линз. При расчете отклоняющей системы необходимо учесть определенные требования:

1) разрешающая способность оптической системы по угловой мере должна позволять разрешать минимальную разность углов между монохроматическими оптическими пучками;

2) разрешающая способность оптической системы по линейной мере должна позволять разрешать минимальное расстояние между фокусируемыми дифракционными максимумами;

3) расстояние между фокусируемыми дифракционными максимумами должно соответствовать расстоянию между центрами оптических волокон, в которые вводятся оптические пучки с различными длинами волн;

4) сигнал, отраженный от дифракционной решетки, не должен выходить за пределы оптической системы линз.

Параметр Угол падения лазерного пучка на грань призмы относительно нормали к этой грани, град. Мощность падающего оптического пучка, Вт Длительность облучения поверхности диска, с

Обозначение а £ т

Величина параметра 52,37° 20-10-3 8

Установка для записи дифракционной решетки изображена схематически на рис. 4. Устройство смонтировано на специальной лабораторной подставке, на которой крепятся штативы 3, 5, 17 для укрепления используемых оптических устройств. На штативе 2 крепится лазерная установка 1. На штативах 5 и 17 крепится оптическая система, которая состоит из: держателей линз 3, 7, 9, 11; стальных направляющих стержней 6; первой рассеивающей двояковыпуклой оптической линзы 4; оптического коллиматора, являющегося системой трех линз: двояковыпуклой линзы 8, двояковогнутой линзы 10 и плосковыпуклой линзы 12; оптической призмы 14; устройства крепления оптической призмы 13; зажимов крепления 18 оптической призмы 14; зажимного устройства 16 фрагмента БУБ-К^ диска 15. Для нормальной работы данного устройства необходимо соблюдать определенные условия: угол падения лазерного пучка на грань оптической призмы относительно нормали к этой грани (см. рис. 4) должен составлять а=52,37°; мощность лазерной установки должна быть равна Р = 23,3 мВт; время воздействия лазерного пучка на фрагмент БУБ-К^ носителя должно составлять тЗАПИСИ=0,77 с; длина волны лазерного излучения должна составлять 'Клазера=650 нанометров. Сборка установки

для записи дифракционной решетки осуществляется при комнатной температуре. Время сборки установки составляет 8,5 минут.

Преимущества реверсивной дифракционной решетки по сравнению с обычной решеткой:

- можно записать решетку с любым неограниченным периодом;

- более простой способ производства решетки;

- более дешевое производство;

- возможна перезапись на решетку с другим периодом.

В последнее время большое внимание уделяется исследованию новых перспективных сред для реверсивной записи сигналов. Такими средами являются фотополимеры, так называемые PAP материалы (photo-addressable polymers). В тонких пленках PAP материалов возможно получение высоких значений индуцированного показателя преломления, высокой стабильности сохранения параметров от комнатной температуры до 160, что важно для техники мультиплексирования сигналов. Различные PAP и нанокомпозитные материалы разрабатываются в лаборатории субмикронной электроники Саратовского филиала ИРЭ РАН.

Использование новых перспективных сред позволит разработать мультиплексоры для интеллектуальных оптических сетей будущего.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сахаров В.К.

Мультиплексор/демультиплексор для техники спектрального уплотнения CWDM / В.К. Сахаров, Л.П.

Прокофьева, В.В. Щербаков // Письма в журнал технической физики. 2004. Т. 30. Вып. 1. С. 65-71.

2. Патент РФ 2161374. Способ символьной

передачи данных по ВОЛС /А.О. Некучаев,

У. Юсупалиев. Приоритет от 07.04.2000 г.

3. Electromagnetic properties of periodic and quasi-periodic one-dimensional, metallo-dielectric photonic band

gap structures / C. Sibilia, M. Scalora, M. Centini et al. // J. Optics. A: Pure Applied Optics. 1999. Vol. 1. Р. 490-494.

4. Ушаков Н. М. Фоторефрактивные устройства коммутации оптических сигналов / Н.М. Ушаков, Ю.Н. Перепелицын // Высокие технологии - путь к прогрессу: сб. науч. трудов / СО ИРЭ РАН. Саратов: Научная книга, 2003. С. 20-23.

5. Патент США № 6859317. Diffraction grating for wavelength division multiplexing and demultiplexing devices / G. Cappiello, M. Sokolskiy (РФ), R. Dueck; Опубл. 22. 02. 2005; Приоритет 28. 11. 2000.

6. Быков Р.А. Демультиплексирование оптических синалов на основе периодических реверсивных сред / Р. А. Быков, Н. М. Ушаков // Радиотехника и связь: материалы Междунар. конф., посвящ. 110-летию изобретения радио и 75-летию СГТУ. Саратов: СГТУ,2005. С. 5-7.

Рис. 4. Устройство для записи реверсивной дифракционной решетки

7. Yeh P. Two-Wave Mixing in Nonlinear Media / P. Yeh // IEEE J. of Quantum Electronics. 1989. Vol. 25. № 3. Р. 484-519.

8. Direct-to-video holographic 3-D imaging using photorefractive multiple quantum well devices / R. Jones, M. Tziraki, P.M.W. French et al. / Optics Express. 1998. Vol. 2.№ 11. Р. 439448.

Быков Роман Валерьевич -

аспирант кафедры «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета

Ушаков Николай Михайлович -

доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета,

заведующий лабораторией субмикронной электроники Саратовского филиала ИРЭ РАН Статья поступила в редакцию 02.11.06, принята к опубликованию 05.12.06