Ступенчатый оптический аттенюатор
STEPPED OPTICAL ATTENUATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Предполагаемое изобретение относится к оптическим аттенюаторам для осуществления заданного ослабления интенсивности излучения в оптических устройствах и, в частности, в волоконно-оптических линиях связи, коммуникационном оптическом оборудовании, лазерной технике.
Уровень техники
Оптические аттенюаторы - это устройства, уменьшающие мощность оптического излучения, передаваемого по воздуху или, например, по оптическому волокну (ОВ).
Оптические аттенюаторы могут использовать разные физические принципы для ослабления оптического излучения. Входящее излучение в аттенюаторе может рассеиваться, поглощаться, преломляться, отражаться, поляризоваться, коллимироваться, перекачивать энергию в другие оптические моды в волокне, производить фотолюминесценцию, флуоресценцию и фосфоресценцию на других длинах волн, переходить в тепло, претерпевать дисперсию и дифракцию, самофокусировку или демонстрировать эффект внутреннего фильтра, служить излучением накачки для квантовых генераторов (лазеров) или преобразователей частоты, переизлучать энергию в другом спектральном диапазоне, и т.д. Все эти явления, а также их сочетания, могут использоваться для ослабления оптического излучения в оптических (в т.ч. волоконно-оптических) сетях.
Известны оптические аттенюаторы, состоящие из одного элемента, и использующие пленку из светонепроницаемого материала (окись хрома), которым покрывается один конец ОВ на соединении соприкасающихся смежных волокон. В других устройствах оптическое затухание вносится за счет изменения оптических свойств среды распространения света, например, среда из минералов или органических веществ типа желатинового фильтра. Кроме того, применяются устройства, в которых изменение вносимых оптических потерь осуществляется различными видами диафрагм или разъюстировкой приемной и передающей апертур.
Известен оптический аттенюатор, принцип действия которого основан на изменении геометрического размера пучка с его последующим пропусканием через диафрагму (патент США №4264154).
Его недостатком является то, что при регулировании оптического излучения большой мощности края диафрагмы подвергаются непосредственному тепловому воздействию и теряют механическую устойчивость.
Общим недостатком известных одиночных оптических аттенюаторов является ограничение максимальной входной мощности оптического излучения, связанное с физическими свойствами одиночного поглощающего элемента. При превышении предельной мощности аттенюатор либо выходит из строя, либо меняет свои характеристики существенным образом.
В частности, например, сварные волоконно-оптические аттенюаторы при подаче на них излучения высокой мощности, демонстрируют так называемый "порог просветления" [A. Huang, et. al., Laser-Damage Attack Against Optical Attenuators in Quantum Key Distribution, Phys. Rev. Applied, 13, 0340172], когда при превышении некоторого порога мощности коэффициент затухания падает. Аналогичным образом "просветляются" оптические аттенюаторы в интегральном исполнении на кремниевом чипе [D. Ruzhitskaya et al, "Laser Damage Attack on an Integrated Optics Chip for Quantum Key Distribution", School on Quantum Technologies, 2020, Russia.].
Для повышения максимальной входной мощности в радиоэлектронике и радиотехнике используются ступенчатые аттенюаторы, в которых имеется несколько соединенных последовательно отдельных аттенюаторов (ступеней), а ослабляемая мощность распределяется между отдельными ступенями.
Например, известен мощный аттенюатор (патент РФ 2477910, приоритет от 07.11.2011 г.), содержащий N включенных последовательно друг за другом согласованных звеньев на одинаковых подложках, установленных с одинаковым шагом на теплопроводящем основании, при этом каждое последующее звено имеет большее затухание, чем предыдущее, причем коэффициент передачи по мощности каждого звена задается выражением
Кр м=(N-M)/(N-M+1),
где М - порядковый номер звена;
N - количество звеньев.
Известный аттенюатор предназначен для использования в качестве мощной нагрузки, например, для тестирования мощных радиопередающих устройств. Приведенная формула позволяет определять коэффициенты передачи по мощности всех звеньев аттенюатора и при равных электрических и геометрических характеристиках всех подложек, а также одинакового шага их установки, и позволяет обеспечить равенство тепловыделения в каждом звене и подложках.
При этом тепловые потоки от всех подложек направлены в теплоотвод, а градиенты температуры между подложками равны нулю, за счет чего и повышается стабильность устройства в целом.
Недостатком известного аттенюатора является отсутствие учета максимально допустимой мощности для каждого отдельного элемента и, особенно, первого элемента, что, при превышении поступающей на вход общей мощности, может привести к тому, что мощность, рассеваемая в каждом отдельном звене может превысить максимально допустимую мощность рассеивания для каждого отдельного звена, в результате чего все звенья перегреются, а их характеристики изменятся (ухудшатся), в результате чего аттенюатор в целом не обеспечит заданного ослабления и надежной работы или даже выйдет из строя.
Кроме того, можно отметить неточность расчетной формулы, поскольку если для последней ступени принять N=М, то получится, что последняя ступень не должна вообще ничего поглощать, что физически неправильно и требует приближенного выбора коэффициент передачи при дополнительных искусственных допущениях для последней ступени.
Известен ступенчатый оптический аттенюатор (заявка США №2018/0341129, приоритет от 29.08.2017 г.), состоящий из нескольких отдельных оптических аттенюаторов (ступеней), последовательно расположенных на одной оптической оси, причем каждая ступень представляет собой жидкокристаллическую ячейку определенной толщины, подключенную к источнику управляющего напряжения. Толщина каждой ячейки и ее управляющее напряжение могут быть выбраны одинаковыми или разными, в результате чего каждая ячейка (ступень) способна обеспечивать одинаковый или разный коэффициент затухания для проходящего оптического излучения.
Недостатком известного ступенчатого оптического аттенюатора является ограничение максимальной входной мощности оптического излучения, связанное с физическими свойствами жидких кристаллов, используемых для одиночных поглощающих элементов (ступеней), особенно первого элемента. При повышении входной мощности оптического излучения аттенюатор либо выйдет из строя, либо существенно ухудшит свои характеристики.
Кроме того, отсутствие учета ограничений на максимально допустимую величину оптических потерь по мощности для каждой отдельной ступени также является недостатком известного аттенюатора.
Известен ступенчатый оптический аттенюатор, используемый в составе эталонного устройства (патент РФ №2271522, приоритет от 30.08.2004 г.) и состоящий из трех отдельных оптических аттенюаторов (ступеней), последовательно расположенных на одной оптической оси. Первая и вторая ступень обеспечивают регулируемое фиксированное ослабление для ряда заданных значений, третья ступень обеспечивает плавное регулируемое ослабление в заданном диапазоне.
Этот ступенчатый оптический аттенюатор выбирается в качестве прототипа.
Недостатком известного ступенчатого оптического аттенюатора является ограничение максимальной входной мощности оптического излучения, связанное с физическими свойствами одиночных поглощающих элементов (ступеней), особенно первого элемента. При повышении входной мощности оптического излучения аттенюатор либо выйдет из строя, либо изменит свои характеристики существенным образом.
Кроме того, отсутствие учета ограничений на максимально допустимую мощность оптических потерь для каждой отдельной ступени также является недостатком известного аттенюатора.
Помимо этого, оптические потери по мощности на каждой отдельной ступени отличаются, что может привести к неравномерности нагрузки на ступени и ухудшению характеристик устройства в целом, и тоже является недостатком известного аттенюатора.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является повышение максимальной входной мощности аттенюатора при сохранении стабильности характеристик на прежнем уровне.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение равномерного распределения мощности оптических потерь на каждой отдельной ступени аттенюатора.
Технический результат достигается использованием в качестве аттенюатора нескольких последовательно расположенных аттенюаторов (ступеней), рассчитанных таким образом, что на каждой ступени ослабляется только часть от суммарной мощности оптических потерь, не превышающая предела оптических потерь по мощности для данного типа аттенюаторов.
Для этого предлагается ступенчатый оптический аттенюатор, составленный из нескольких одиночных оптических аттенюаторов (ступеней).
Мощность излучения на входе в одиночный оптический аттенюатор ограничена эксплуатационным пределом оптических потерь по мощности для одиночного оптического аттенюатора.
Оптические потери в аттенюаторе определяются выражением:
in
где P - мощность подаваемого на вход излучения,
out
P - мощность излучения на выходе.
Для каждого типа аттенюаторов существует предел оптических потерь по мощности, обусловленный лучевой стойкостью
который соответствует максимальной мощности оптических потерь в аттенюаторе при сохранении его работоспособности и стабильность характеристик.
Данный предел определяется конструкцией аттенюатора с точки зрения происходящих в нем физических процессов или рекомендациями производителя с нормативной точки зрения. Превышение данного предела приводит к нарушению функционирования аттенюатора или выходу из строя.
Ослабление измеряется в децибелах и определяется по формуле:
in
out
out
В итоге часть подаваемой на вход аттенюатора мощности излучения ΔР=P-P выводится из оптической системы в виде оптических потерь, оставшаяся часть мощности P проходит через аттенюатор.
max
атт
lim
Заметим, что производители в характеристиках, как правило, не указывают предела оптических потерь, ограничиваясь значением предельной входной мощности P и коэффициентом затухания К. Тогда предел оптических потерь по мощности в аттенюаторе P рассчитывается по формуле:
max
где P - максимальная эксплуатационная мощность аттенюатора (т.е. максимальная мощность входного излучения).
out
in
max
lim
Для мощных аттенюаторов, в которых P<<P, можно приближенно считать, что P примерно равно P. Например, в аттенюаторе на -20 дБ оптические потери составляют 99% мощности излучения, на -30 дБ оптические потери 99,9% мощности, на -40 дБ оптические потери 99.99% мощности.
max
lim
max
lim
max
lim
В то же время для слабых аттенюаторов различие P и P может быть значительным. Например, аттенюатор на 1 дБ пропускает 80% подаваемой мощности (соответственно, P=5P), 1,25 дБ пропускает 75% (соответственно, P=4P).
del
lim
Для повышения эксплуатационной мощности предлагается ступенчатый оптический аттенюатор, составленный из нескольких одиночных оптических аттенюаторов (ступеней), рассчитанных таким образом, что мощность оптических потерь P(n), где n - номер ступени, ослабляемая на каждой ступени, не превышает предела оптических потерь по мощности P(n) для одиночного аттенюатора данной конструкции.
но суммарная мощность оптических потерь ступенчатого аттенюатора при этом превышает предел оптических потерь каждого отдельного аттенюатора.
Ступенчатый оптический аттенюатор составляется из N включенных последовательно друг за другом одиночных оптических аттенюаторов с целью увеличения вносимых оптических потерь по мощности.
lim
Σ
Каждый одиночный аттенюатор характеризуется своей величиной предела оптических потерь по мощности P(n). Количество ступеней N выбирается исходя из необходимого коэффициента затухания, таким образом, чтобы сумма пределов оптических потерь по мощности на всех ступенях превышала требуемую величину оптических потерь аттенюатора Р.
Мощность на входе n-й ступени:
где k - индекс суммирования по номеру ступени.
Мощность на выходе n-й ступени:
Мощность оптических потерь аналогично (1):
lim
Коэффициент ослабления каждой ступени рассчитывается таким образом, что мощность оптических потерь на каждой отдельной ступени не превышает установленного предела оптических потерь по мощности P(n) для одиночного аттенюатора данной конструкции, используемого на данной ступени, но суммарная мощность оптических потерь при этом превышает предел оптических потерь отдельного аттенюатора.
атт
Для этого коэффициент ослабления К(n) на n-й ступени каскада задается по формуле:
lim
Значение P(n) для данного типа аттенюатора при необходимости рассчитывается по формуле (4).
del
lim
Таким образом достигается необходимое условие, что мощность оптических потерь P(n) на каждой ступени не превышает установленной предельной рассеиваемой мощности P для одиночного аттенюатора данной конструкции, использованного в этой ступени.
lim
Для каскада из N однотипных аттенюаторов, теоретически можно добиться того, чтобы каскадный аттенюатор устойчиво работал при входной мощности излучения в N раз большей, чем одиночный аттенюатор такой же конструкции, когда суммарная мощность оптических потерь распределена в равной степени по N ступеням каскада, и при этом мощность оптических потерь на каждой ступени не превышает установленной предельной мощности P для одиночного аттенюатора данной конструкции, использованного в этой ступени. Для этого необходимо рассчитать коэффициент ослабления для каждой ступени, чтобы ослабление происходило на N ступенях каскадного аттенюатора равномерно, чтобы оптические потери по мощности распределялись по ступеням равномерно. При практическом применении увеличение порога ограничивается точностью изготовления отдельных ступеней.
0
in
out
in
out
Чтобы распределить оптические потери Р=(P-P) равномерно по мощности по N ступеням, надо обеспечить чтобы в каждой ступени вносились оптические потери (P-P)/N.
Это означает, что мощность на входе n-й ступени:
0
а мощность на выходе n-й ступени на P/N меньше:
В итоге, требуемое ослабление n-й ступени:
Формула (14) позволяет рассчитывать коэффициент ослабления каждой ступеней ступенчатого оптического аттенюатора.
out
in
Для практических расчетов ступенчатого аттенюатора, состоящего из однотипных аттенюаторов, формулу (14) можно существенно упростить, при незначительной погрешности вычислений. С учетом того, что для мощного аттенюатора P<<P, формула (14) приводится к следующему виду:
требуемое ослабление на n-й ступени (n<N):
out
последняя N-я ступень ослабляет излучение до требуемого уровня P:
Теоретически для N-ступенчатого аттенюатора можно добиться N-кратного увеличения "порога просветления" по сравнению с одиночным аттенюатором. При практическом применении увеличение пороговой мощности ограничивается точностью изготовления каждой отдельной ступени.
Предложенный ступенчатый оптический аттенюатор может включать отдельные ступени разного типа, обеспечивающие ослабление излучения на основе различных физических принципов.
Осуществление изобретения
В качестве примера практической реализации предложенного ступенчатого аттенюатора был выбран пятиступенчатый волоконно-оптический аттенюатор, изготовленный методом сварки оптоволокна со смещением.
Для изготовления аттенюатора было выбрано стандартное одномодовое оптическое волокно типа Coming CFM-28 (производитель - компания Coming, New York, сведения о волокне по адресу https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28-ultra.html, стандарт для данного типа волокна содержится в Рекомендации Сектора Стандартизации Электросвязи Международного Союза Электросвязи «МСЭ-Т G.652 (11/2016) - ITU», по адресу https://handle.itu.int/11.1002/1000/13076).
Порог просветления сварного аттенюатора на данном типе волокна составляет около 2,5 Вт на длине волны 1550 нм, для мощного аттенюатора порог просветления достаточно точно равен пределу оптических потерь по мощности. Требуемая эксплуатационная оптическая мощность аттенюатора не менее 10 Вт.Входная оптическая мощность лазера составляет до 10 вт.
Примем, что на выходе аттенюатора требуется получить мощность излучения 200 мВт, а каждая ступень должна вносить потери не более 2,5 Вт оптической мощности, что меньше предела оптических потерь по мощности.
Результаты расчета приведены в табл. 1.
Таким образом, достаточно четырех ступеней для достижения заданного ослабления, но при этом все ступени работают близко к входному пределу по мощности. Можно также отметить существенную разницу ослабления, необходимую для разных ступеней
Для практики более приемлемым было бы иметь запас по входному пределу по мощности, для повышения надежности и уменьшения требований к точности изготовления каждой ступени.
Для пяти ступеней каскадного аттенюатора можно рассчитать коэффициенты ослабления по формулам (11) и (14) для обеспечения равномерного распределения мощности оптических потерь по ступеням аттенюатора (табл. 2).
По данным расчета изготовлен ступенчатый аттенюатор и проведены контрольные измерения коэффициентов ослабления ступеней аттенюатора в процессе изготовления (табл. 3).
Измеренные параметры отличаются от расчетных из-за неточности изготовления отдельных ступеней в лабораторных условиях. При промышленном производстве аттенюаторов точность может быть значительно выше.
При испытаниях было установлено, что изготовленный аттенюатор выдерживает мощность входящего излучения до 10 Вт без изменения характеристик, в то время как одиночный аттенюатор на -17 дБ "просветляется" уже при мощности входного излучения около 2.5 Вт.
В результате достигнуто не менее чем четырехкратное увеличение пороговой мощности ступенчатого аттенюатора из пяти ступеней, по сравнению с одиночным аттенюатором аналогичного типа.
Оба рассчитанных аттенюатора ослабляют входное излучение мощностью 10 Вт до 0,2 Вт, при этом второй аттенюатор, хотя и содержит на одну ступень больше, но работает с запасом по оптическим потерям по мощности.