Волоконно-оптическое устройство приема поляризационно разнесенного оптического сигнала

Полезная модель относится к области волоконно-оптических измерительных устройств на основе волоконно-оптических фазовых датчиков интерферометрического типа и предназначено для применения в волоконно-оптических интерферометрических датчиках (далее - датчик) в качестве фотоприемного устройства для предотвращения поляризационного затухания сигнала.
Принцип работы устройства основан на независимой регистрации, как правило, тремя фотодиодами интерференционного оптического сигнала, предварительно разделенного по мощности на три равные части, каждая из которых проходит через отдельный линейный поляризатор, при этом оси пропускания трех поляризаторов взаимно ориентированы под углом 120° друг относительно друга.
Известно (патент US 005448058 А, G02F 1/01, опубл. 5.09.1995) устройство детектирования оптического сигнала с предотвращением затухания поляризационного сигнала в волоконно-оптической интерферометрической сенсорной системе.
Устройство содержит массив трех фотодиодов, каждый из которых имеет форму сектора круга с углом 120°, а вместе они образуют полный круг. Пленочные поляризаторы, имеющие форму параллелепипеда, соединяясь, образуют правильный шестиугольник. Поляризаторы с собственной ориентацией поляризационных осей ориентированы друг относительно друга на 120°. Каждый поляризатор покрывает площадку собственного фотодиода. Таким образом, в независимости от состояния поляризации излучения, падающего на массив фотодиодов, имеется поляризационная составляющая, которая будет совпадать с осью пропускания хотя бы двух фотодиодов, а, следовательно, у датчика будет ненулевая видность при любом состоянии поляризации интерферирующих пучков.
Недостатками известного решения являются высокая сложность изготовления массива фотодиодов нестандартной формы в виде секторов круга, а также сложность точного выставления ориентации пленочных поляризаторов.
Известно устройство, выбранное в качестве прототипа к предлагаемому устройству, (Polarization Diversity Receiver. Рекламный проспект LIGHTEL True Color Components www.lightel.com), являющееся устройством поляризационно-распределенного приемника, использующееся в волоконно-оптических датчиках, благодаря которому снижается эффект поляризационного затухания сигнала.
Устройство содержит входное оптическое волокно (далее - волокно), оптически соединенное с входным портом волоконно-оптического разветвителя (далее - разветвитель), выполненным на изотропном волокне и имеющем один входной порт и три выходных, с которыми оптически соединены три поляризованных PIN фотодиода (далее - фотодиод). Оси пропускания поляризаторов фотодиодов ориентированы под углом 120° друг относительно друга. Отрезки волокон между разветвителем и фотодиодом длиной порядка 25 мм.
Недостатками известного решения является температурная нестабильность, так как длины волокон между разветвителем и фотодиодом незначительно различаются в силу конструкции, а также имеют длину около 25 мм, поэтому фаза излучения, падающего на фотодиоды будет различна, что может привести к поляризационному затуханию сигнала.
Решаемая техническая проблема - совершенствование конструкции устройства для достижения технического результата.
Достигаемый технический результат - уменьшение поляризационного затухания интерференционного оптического сигнала за счет снижения температурного влияния на поляризационно зависимые потери.
Поставленная задача решается следующим образом.
Волоконно-оптическое устройство приема поляризационно разнесенного оптического сигнала, содержащее входное оптическое волокно, оптически соединенное с входным портом разветвителя, три выходных порта которого соединены с помощью двулучепреломляющих оптических волокон с тремя линейными волоконно-оптическими поляризаторами (далее - поляризатор), оси пропускания каждого из которых совпадают с осями двулучепреломления соединительных оптических волокон и ориентированы под углом 120°, а каждый поляризатор оптически соединен с фотодиодом. Разветвитель представляет собой интегрально-оптическую схему, содержащую канальные волноводы, сформированные на кварцевой подложке, образующие симметричную древовидную топологию, и содержит дополнительно выходной порт, который соединен с помощью волокна с дополнительным фотодиодом.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве основы устройства лежит разветвитель, представляющий собой интегрально-оптическую схему, содержащую канальные волноводы, сформированные на кварцевой подложке, образующие симметричную древовидную топологию и имеющий один входной порт и четыре выходных. С входным портом разветвителя оптически соединено входное оптическое волокно.
Три выходных порта разветвителя соединены с тремя волоконно-оптическими линейными поляризаторами с помощью двулучепреломляющих оптических волокон, а оси пропускания поляризаторов совпадают с осями двулучепреломления соединительных (двулучепреломляющих) оптических волокон и ориентированы под углом 120° друг относительно друга.
Дополнительный выходной порт разветвителя, соединенный с помощью дополнительного волокна с дополнительным фотодиодом, необходим для получения конструкции с волноводами равной длины. Разветвитель является симметричным для условий деления фронта световой волны, и оптический путь, и как следствие, состояние поляризации на выходе у всех волноводов, будет взаимно одинаковым. Кроме того, дополнительный выходной порт служит для контроля оптической мощности, а также с его помощью возможна оценка состояния поляризации излучения.
Благодаря использованию двулучепреломляющих оптических волокон температурное воздействие на них не оказывает влияние на изменение состояния поляризации и фазы на выходе. Благодаря использованию в конструкции устройства симметричного разветвителя и двулучепреломляющих оптических волокон достигается температурная стабильность устройства, что приводит к уменьшению поляризационного затухания сигнала.
Сущность заявляемого решения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, где на фиг. 1 представлена схема устройства, на фиг. 2 - выходные волокна на кварцевом основании с v-образными канавками, на фиг. 3 - вариант исполнения устройства с входным волокном, вклеенным в кварцевую трубку, на фиг. 4 - вариант исполнения устройства с входным волокном, приклеенным на основание с v-образной канавкой.
На фиг. 1, 2, 3, 4 приняты следующие обозначения:
1 - входное оптическое волокно (далее - входное волокно),
2 - входной порт,
3 - разветвитель,
4, 5, 6 - выходные порты,
7, 8, 9 - двулучепреломлящие оптические волокна (далее - двулучепреломлящие выходные волокна),
10, 11, 12 - линейные волоконно-оптические поляризаторы (далее - поляризатор)
13, 14, 15 - фотодиоды,
16 - дополнительный выходной порт,
17 - выходное оптическое изотропное волокно (далее - выходное волокно),
18 - дополнительный фотодиод,
19 - кварцевое основание с 4-мя v-образными канавками,
20 - крышка,
21 - кварцевая трубка,
22 - кварцевое основание с 1-ой v-образной канавкой,
23 - прижимная крышка.
Волоконно-оптическое устройство приема поляризационно разнесенного оптического сигнала (фиг. 1) содержит входное оптическое волокно 1, оптически соединенное с входным портом 2 разветвителя 3, три выходных порта 4-6 которого соединены с помощью двулучепреломляющих выходных волокон 7-9 с тремя линейными волоконно-оптическими поляризаторами 10-12, каждый поляризатор 10-12 соединен с фотодиодом 13-15, а дополнительный выходной порт 16 посредством выходного оптического волокна 17 соединен с дополнительным фотодиодом 18.
На фиг. 2 три выходных волокна 7-9, оси двулучепреломления которых расположены под углами 120°, и выходное волокно 17 расположены на кварцевом основании 19 и прижимаются к кварцевому основанию 19 крышкой 20.
На фиг. 3 разветвитель 3 с одной стороны соединен с входным волокном 1, вклеенным в кварцевую трубку 21, а с другой стороны соединен с кварцевым основанием 19, имеющем v-образные канавки для двулучепреломлящих выходных волокон 7-9, 17, прижатых крышкой 20.
На фиг. 4 разветвитель 3 с одной стороны соединен с входным волокном 1, приклеенным на кварцевое основание 22 с v-образной канавкой и прижимной крышкой 23, а с другой стороны - с кварцевым основанием 19, имеющем v-образные канавки для двулучепреломляющих выходных волокон 7-9, и выходного волокна 17, прижатых крышкой 20.
Устройства на фиг. 3 и на фиг. 4 отличаются лишь технологией соединения входного волокна 1 с разветвителем 3. Представленные технологии являются равнозначными по достижению технического результата.
Работа устройства заключается в следующем: входящий оптический сигнал, с неизвестным и случайным состоянием поляризации, распространяется по входному оптическому волокну 1 и попадает через входной порт 2 на разветвитель 3, в котором излучение делится по мощности на четыре порта и на каждом из четырех выходных портов 4-6, 16 разветвителя 3 формируется излучение с одинаковым состоянием поляризации. После этого из трех выходных портов 4-6 разветвителя 3 излучение поступает по двулучепреломляющим выходным волоконам 7-9 на волоконно-оптические линейные поляризаторы 10-12 и далее - на фотодиоды 13-15. Четвертый дополнительный выходной порт 16 разветвителя 3, с которым оптически соединено дополнительное волокно 17, может быть использован для контроля общей мощности оптического излучения путем соединения с дополнительным фотодиодом 18.
В качестве конкретного примера выполнения устройства предлагается использовать разветвитель, который представляет собой интегрально-оптическую схему, содержащую канальные волноводы, сформированные на кварцевой подложке, образующие симметричную древовидную топологию с одним входным портом и четырьмя выходными. Длина разветвителя составляет не более 10 мм, а расстояния между выходными портами составляет около 0,25 мм, а в прототипе волокна между разветвителем и фотодиодом были изотропными, и их длина составляла 25 мм. Так как температурное воздействие приводит к смене поляризации и фазы излучения в изотропном волокне, но не в двулучепреломляющем, то область, в которой температурное воздействие влияет на распространяющееся излучение в прототипе составляет 25 мм, а в заявляемом решении - 10 мм, благодаря чему предлагаемая полезная модель является более стабильной к температурным воздействиям. Интегрально-оптическая схема имеет скос со стороны входного и выходных портов для уменьшения обратных отражений от торцов. Со стороны входного порта размещается одномодовое волокно, торец которого вклеивается в кварцевый капилляр или кварцевое основание с v-образной канавкой для более надежного оптического соединения волокна с разветвителем. Оптическое волокно вклеивается на УФ-отверждаемый клей в капилляр или кварцевое основание с v-образной канавкой, которые также имеют скос. С выходными портами разветвителя необходимо состыковать три двулучепреломляющих оптических волокна, соединенных оптически с поляризаторами и одно дополнительное волокно, для этого предлагается использовать кварцевое основание с четырьмя v-образными канавками, расстояние между которыми совпадает с расстоянием между выходными портами разветвителя. Три двулучепреломляющих оптических волокна, соединенных с поляризаторами, сориентированы в кварцевом основании с четырьмя v-образными канавками под углами 0°, 120° и 240°, а четвертое волокно - ориентируется произвольно. Указанным способом, четыре волокна вклеиваются на УФ-отверждаемый клей в v-образные канавки кварцевого основания, которое тоже имеет скос. Затем, с интегрально-оптической схемой стыкуется с одной стороны входное волокно в кварцевой трубке или кварцевом основании с v-образной канавкой, а с другой стороны - волокна, вклеенные в v-образные канавки. Стыковка фиксируется на УФ-отверждаемый клей.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении температурного влияния на поляризационно зависимые потери, что обеспечивает уменьшения поляризационного затухания сигнала. Кроме того, в конструкции устройства используются волоконно-оптические компоненты, что обеспечивает удобство и гибкость монтажа.