УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗВЕТВЛЕНИЯ И ЧИРПИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к световодным системам связи и передачи информации и может быть использована в оптических системах связи.
Известно устройство, реализующее способ увеличения дальности высокоскоростных открытых оптических каналов связи с подводными объектами (патент RU 2538449, G01S 17/00, 10.01.2015), основанное на использовании частотной модуляции (чирпировании) передаваемого оптического излучения. Для организации оптической связи используют лазерный луч, состоящий из импульсов длительностью не менее 1 нс, которые формируют из множества волн путем фазовой синхронизации и интерференции, а также в нелинейной среде за счет дисперсии скоростей волн различных частот, а из множества непрерывных модовых составляющих формируют импульсно-периодические оптические импульсы, используя частотную модуляцию (чирпирование), формируют импульсы с одинарным двойным периодом следования, при этом последовательность импульсов воспринимается фотоприемником как наличие (или отсутствие) в заданные моменты времени импульса излучения за счет чирпирования частоты спектра лазерного излучения, формируют двоичный код для передачи информации.
Недостатком аналога является то, что используется интерференция продольных  что, во-первых, требует их наличия, т.е. обязательного использования многомодовых световодов, а это далеко не всегда является приемлемым. Во-вторых, принципиально не позволяет получить величин чирпа свыше 100÷120 пс/нм, что ограничивает битовые скорости сигнала до 1 Гбит/с при эффективной длине в 100 км. В настоящее время требуется на заданной длине передавать битовые скорости сигнала 10÷40 Гбит/с, следовательно, и величина чирпа требуется существенно большая. Кроме того, упомянутое устройство не обеспечивает такие функции, как усиление сигнала и его разветвление, которые востребованы на многих телекоммуникационных сегментах.
Известны оптический спектральный фильтр и устройство разделения каналов (патент RU 2186413, G02B 5/20, Н01Р 1/20, 27.07.2002), которые также могут выполнять чирпирование оптических сигналов для телекоммуникационных приложений ввиду использования интерференционного элемента - решетки Брэгга с управляемым/переменным шагом. Оптический спектральный фильтр содержит первое оптическое устройство, имеющее первый, второй и третий каналы ввода/вывода и циркулятор, а также второе оптическое устройство, имеющее четвертый и пятый каналы ввода/вывода и выполненное в виде Брэгговского волоконного отражающего фильтра. Оптическое устройство разделения каналов содержит множество первых оптических устройств, каждое из которых имеет с первого по третий каналы ввода/вывода, и множество вторых оптических устройств, каждое из которых имеет четвертый и пятый каналы ввода/вывода и представляет собой волоконные отражающие фильтры с Брэгговской решеткой.
Недостатком аналога является то, что, так как решетка Брэгга является интерференционным элементом с малым количеством интерферирующих лучей, что связано со слабой вариацией коэффициента преломления световода (обусловлено принципом работы решетки Брэгга), то значительных величин чирпа здесь достичь также принципиально невозможно. Кроме того, устройство не предполагает усиления и разветвления сигналов (по параллельным каналам).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является волоконно-оптический разветвитель (патент RU 1296981, G02B 6/28, 15.03.1987), содержащий входные и выходные световодные каналы, оптически связанные посредством смесителя кругового поперечного сечения, имеющего участок сужения, и дополнительные световодные каналы.
Недостаток прототипа заключается в том, что он не позволяет получить величину существенного чирпирования ввиду малого отражения от торцов световодных жгутов, расположенных в смесителе, и отсутствия легирования последнего, либо отсутствия легированных световодов. Простое увеличение коэффициента отражения торцов смесителя в прототипе без одновременного выполнения усиления и задействования эффекта фазовой само-модуляции (что обусловлено легированием оптической среды смесителя или использованием легированных световодов в предлагаемом устройстве) приведет лишь к искажению действием интерференции проходящего сигнала. Кроме того, функция разветвления, реализуемая в прототипе, обеспечивает разделение по мощности выходного сигнала (между выходными световодными каналами) без избирательности к параметрам сигнала (например, в соответствии со значением мгновенной длины волны излучения), что обусловлено структурой торцов световодных жгутов, расположенных в смесителе.
Задачей полезной модели является передача поступающего оптического сигнала как по протяженным линейным сегментам, так и по сегментам разветвленного типа, построенным по принципу «точка - многоточка» за счет его разветвления избирательно к его спектральному составу и одновременной компенсации приобретенного им ранее нежелательного отрицательного чирпа в пределах до ~ минус 5000 пс/нм, но не менее минус 300 пс/нм, а также его усиление.
Техническим результатом является выполнение чирпирования для выходных оптических сигналов устройства с одновременным их усилением при получении высокого коэффициента разветвления с избирательностью к спектральному составу сигнала.
k
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что волоконно-оптический разветвитель, содержащий входные и выходные световодные каналы, оптически связанные посредством смесителя кругового поперечного сечения, имеющего участок сужения, и дополнительные световодные каналы, согласно полезной модели содержит легированную редкоземельным элементом оптическую среду, выполненную в виде легированного материала смесителя, либо легированных световодов, образующих полностью или частично дополнительные световодные каналы, совместно с установлением оптимального значения коэффициента отражения торцов световодных жгутов смесителя на основе заданной толщины слоя отражающего покрытия, кроме того торцы световодных жгутов выполнены в виде ступенчатых световодных гребенок с продольным смещением ярусов, встречно расположенных в смесителе, а выходные торцы дополнительных световодных каналов расположены между входными световодными каналами в первом ярусе входной световодной гребенки, входные торцы дополнительных световодных каналов расположены между выходными световодными каналами, причем световоды от каждого яруса световодных гребенок образуют соответствующие выделенные группы с длинами l дополнительных световодных каналов.
Выделенные группы выходных световодных каналов используются для избирательного разветвления сигналов.
Существо полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено устройство для разветвления и чирпирования оптических сигналов, а на фиг. 2 изображена схема размещения световодных гребенок, составляющих основу торцов световодных жгутов, размещенных в смесителе, и выделенных групп световодов.
k
Устройство для разветвления и чирпирования оптических сигналов содержит входные световодные каналы 1 и 2, профиль смесителя 3, оптически активную среду смесителя 4 (оптическое стекло, легированное эрбием для выполнения усиления), группы дополнительных световодных каналов 5 с длинами l (для каждой из выделенных групп), в каждой из которых присутствуют легированные световоды, группы выходных световодных каналов 6, торцы световодных жгутов 7 и 8, выполненные в виде световодных гребенок, на которые нанесено напылением отражающее покрытие, т.е. эти торцы световодных жгутов 7 и 8 являются зеркалами смесителя.
k
При этом расстояние в смесителе между идентичными ярусами во входных 1 и 2 и выходных 6 жгутах кратно отношению целого числа полуволн со значениями λ к показателю преломления смесителя n:
0
где m - целое число,
k
λ - значения центральных длин волн спектральных диапазонов, на которые будет разделен выходной сигнал устройства.
k
Каждый ярус образован выделенной группой дополнительных световодных каналов 5 (включая легированные световоды) с длинами l, а на торце выходного жгута 7 - и выделенной группой выходных световодных каналов 6.
k
В устройстве для разветвления и чирпирования оптических сигналов выходные торцы 7 дополнительных световодных каналов 5 расположены в виде световодной гребенки, содержащей торцы входных световодных каналов 6 между торцами дополнительных световодных каналов 5 только на первом ярусе световодной гребенки; а входные торцы 8 дополнительных световодных каналов 5 расположены в виде световодной гребенки, в каждом ярусе которой между торцами дополнительных световодных каналов 5 расположены торцы выходных световодных каналов 6 для каждой из выделенных групп, при этом дополнительные световодные каналы 5, соединяющие идентичные ярусы световодных гребенок, образуют соответствующие выделенные группы с длинами l. Перечисленные световодные гребенки собраны из соответствующих торцов световодов путем склеивания оптическим клеем последних, с последующей полировкой каждого из ярусов и нанесением отражающего покрытия.
Функционально устройство для разветвления и чирпирования оптических сигналов работает как в прямом (от световодных каналов 1 и 2 к световодным каналам 6), так и в обратном направлениях (т.е. входной сигнал подается из какого-либо световодного канала из пучка 6, а выходными световодными каналами являются 1, 2 и оставшиеся световодные каналы из пучка 6). Такая взаимозаменяемость направлений возможна из-за наличия смесителя, в котором смешивается излучение, многократно отражаясь от торцов световодных жгутов 7 и 8 смесителя, т.е. переотражаясь в смесителе и в дополнительных световодных каналах 5, что и обеспечивает практически равномерное его перераспределение между всеми световодными каналами. Тем не менее, основное направление передачи информационного сигнала происходит от световодного канала 1 к световодным каналам 6, а по световодному каналу 2 подается излучение накачки для оптической легированной среды 4.
Смеситель обеспечивает подключение многих выходных световодных каналов 6, что позволяет получить коэффициент разветвления до 1×150, а также многолучевой интерференции в устройстве с большим количеством (до 1000) интерферирующих лучей и применения оптической легированной среды 4.
Совместное применение многолучевой интерференции в интерферометре, представляющем собой смеситель с торцами световодных жгутов 7 и 8, коэффициент отражения которых находится в пределах от 0,8 включительно до 1 не включительно, определяющийся толщиной отражающего покрытия, обеспечивающими интерференцию типа Фабри-Перо, и усилении проходящего оптического сигнала в оптической легированной среде 4, в качестве которой используются среда смесителя 4, легированная редкоземельным элементом (например, эрбием), и/или легированные световоды, входящие в каждую из групп дополнительных световодных каналов 5, что наряду с усилением также позволяет увеличить величину положительного чирпирования из-за действия эффекта фазовой само-модуляции с суммарным значением до ~5000 пс/нм.
k
Структура торцов световодных жгутов 7 и 8 в виде ступенчатых встречно расположенных световодных гребенок с расстояниями между ярусами в соответствии с (1) обеспечивает интерференционное выделение/вырезание спектральных поддиапазонов информационного сигнала со значениями центральных длин волн, равными λ, в результате переотражений между указанными ярусами.
k
Далее эти выделенные поддиапазоны подаются на соответствующие группы выходных световодных каналов 6, что и обеспечивает избирательность при разветвлении сигналов на выходе устройства. Выделенные группы дополнительных световодных каналов 6, подсоединенных к соответствующим ярусам световодных гребенок, обеспечивают пропускание и переотражение соответствующих спектральных поддиапазонов. Выполнение длин l дополнительных световодных каналов 6, объединенных в k-ю группу, не равных друг другу, обеспечивает избирательную задержку рассматриваемых спектральных поддиапазонов, а значит - и их переформирование во времени относительно друг друга, что может использоваться далее на линии, например, для увеличения величины полученного чирпирования - при последующем объединении разветвленных сигналов, либо для других задач управления оптическими сигналами.
k
i
k
Переотражение между разными (не идентичными) ярусами световодных гребенок не позволит получить устойчивую интерференционную картину, т.к. такие длины не будут соответствовать (1), а значит - не обеспечат конструктивного (резонансного) сложения волн для λ. Сложение в случае такого переотражения волн с другими λ, близкими к λ, но не равными им, возможно, что приведет к уширению выделяемых спектральных поддиапазонов сигнала. Однако наличие в сигналах резонансов определенной ширины допустимо при решении многих телекоммуникационных задач.
Итак, заявляемая полезная модель позволяет выполнять чирпирование для выходных оптических сигналов устройства с одновременным их усилением при получении высокого коэффициента разветвления при избирательном разделении выходных сигналов.