CC BY
86
ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ КОММУТАТОРОВ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, УПРАВЛЯЕМЫХ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Султанов А.Х., Виноградова И.Л.
Уфимский государственный авиационный технический университет
Аннотация
Настоящая статья посвящена исследованию возможности создания коммутаторов оптических сигналов, управляемых дополнительно подаваемым оптическим излучением. Предполагается, что управляющее излучение изменяет показатель преломления оптической среды устройства, а с ним и длину волны информационного излучения. Для контроля последней используется многолучевой интерферометр. Проведена краткая оценка технических аспектов построения устройства. Анализ показал, что интерференционный коммутатор принципиально технически реализуем. К основным его недостаткам можно отнести наличие постоянной составляющей в интерференционной картине и искажение действием интерференции и нелинейных оптических эффектов цифрового оптического сигнала.
Постановка задачи
Сегодня современную вычислительную технику, системы связи, управления и обработки сигналов невозможно представить без применения оптических технологий. Это с одной стороны является следствием стремительного развития волоконных и интегрально-оптических устройств, с другой стороны - продиктовано требованиями по увеличению информационной ёмкости канала, скорости обработки сообщений и показателей надёжности систем телекоммуникаций. Тем не менее, ещё достаточно широкий круг сетевых задач решается на базе электронных компонентов, что не только ограничивает быстродействие в целом, но в ряде случаев требует дополнительной инженерной проработки для обеспечения надёжности элементов системы. Последнее связано с внедрением систем передачи на промышленных предприятиях с повышенным уровнем воздействующих факторов, в том числе предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК), объектах специального назначения и т. д. - везде, где с одной стороны, как правило, производится значительное влияние электромагнитных помех (от работающих промышленных агрегатов, высоковольтных линий электропередач - ЛЭП), фоновых излучений, широкополосной вибрации, температурных флук-туаций и связанных с ними возмущений и т.д. А с другой стороны, к каждому элементу системы (активной преобразующей аппаратуре, узлам управления световых потоков на базе электрических или магнитных потенциалов, их электрическим блокам питания, электрическим проводам и разъёмам) предъявляются требования по обеспечению соответствующего уровня пожаровзрывобезопасности в соответствии с действующими стандартами [1] в зависимости от требований производства.
Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами передачи и обработки сообщений по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, расширению областей технических приложений, приводят к необходимости пересмотра фундаментальных подходов не только к проектированию, управлению и контролю
объектов систем телекоммуникаций, но и физических принципов построения их компонентов.
Перспективным является направление на создание полностью оптических транспортных сетей (ЛОМ-сетей, [2]), в функционировании которых главную роль при мультиплексировании, перегруппировании и т.д. играют не электронные (оптоэлектронные), а полностью оптические технологии и компоненты. Необходимо заметить, что решение перспективных сетевых задач всё больше приводит к необходимости проектирования и создания разветвлённых архитектур, которые обладают как высокой надёжностью из-за значительного резервирования, так и способностью к адаптации в выполнении требований сетевых операторов и абонентов. В этой связи роль оптоволоконных компонентов и устройств управления различного назначения повышается.
Ведущие фирмы-производители телекоммуникационного оборудования предлагают образцы оптических компонентов управления световыми информационными потоками. Как правило, это ЖЭМ-мультиплексоры, волоконно-оптические усилители, фильтры, коммутаторы и т.д. Здесь следует провести разграничение между полностью оптическими ЛОМ-компонентами и компонентами, в которых управление световым информационным потоком осуществляется действием электрических, магнитных потенциалов (электрооптические эффекты Кер-ра, Поккельса, Фарадея [3] и т.д.). Например, работа WDM-мультиплексоров основана на дифракционном разделении световых волн разных длин [3], следовательно, эти устройства не требуют дополнительного использования электроники в отличие, например, от моделей переменных аттенюаторов. Последние предполагают регулирование затухания путём изменения величины воздушного зазора при помощи пьезоэлектрика или оптических изоляторов, использующих эффект магнитного вращения плоскости поляризации проходящей световой волны. Другой широко распространённый, по сути, ключевой элемент в технологии полностью оптических сетей - волоконно-оптический усилитель (световод, легированный эрбием - EDFA), используемый для усиления до уровня порядка 1 мВт слабого инфор-
мационного сигнала в третьем окне прозрачности [2] 1530.. .1560 нм при накачке мощным излучением (и 100 мВт) на более короткой длине волны. На сегодняшний день усилитель применяется в известной схеме включения [2], когда лазер накачки располагается в непосредственной близости от БББЛ. Такой способ использования БББЛ на оптоволоконной линии требует подведения электропитания для лазера накачки в зону усиления, что в ряде технических приложений приводит к существенному усложнению и удорожанию системы телекоммуникаций, тем самым практически сводя на нет достоинства новой технологии усиления - без использования электронных регенераторов. Размещение электронных узлов в условиях повышенного влияния воздействующих факторов, например, на ЛЭП, что является весьма распространённым случаем при строительстве волоконно-оптических линейных сооружений (ВОЛС) [4], представляет серьёзную инженерно-техническую задачу. С учётом выбора места крепления оптоволоконного кабеля к опорам ЛЭП в соответствии с эпюрой напряжений компоненты ВОЛС, тем не менее, находятся в зоне высокого электрического напряжения - не меньшего 5 . 10 кВ. Под действием такого поля при наличии проводимых специальных (защитных) инженерно-технических мероприятий в определённых пределах изменяют свойства даже полностью оптические компоненты [5], [6], и т.д., и уж тем более подвергаются воздействию поля электронные узлы управляющих устройств.
Следовательно, разработка новых подходов к конструированию и проведение математического моделирования перспективных оптических компонентов, предназначенных для использования в ЛОМ-сетях (в том числе, для эксплуатации в нестандартных условиях) преимущественно без использования управляющих электронных сигналов -с переходом на оптическое управление, является актуальной технической задачей. Здесь следует отметить, что естественный путь совершенствования оптических компонентов, опирающийся на достижения в области технологии изготовления практически уже исчерпан. Например, в световодах из кварцевого стекла невозможно получить потери много меньше 0,1 дБ/км. Поэтому, наряду с совершенствованием применяемых технологий, необходимо искать принципиально новые подходы повышения эффективности, качества и выявления ранее неизвестных свойств оптических компонентов, в том числе за счет принципиального изменения свойств самого вещества.
Исследование возможности построения коммутатора с интерферометром Фабри-Перо
В настоящее время проводятся исследования в области создания полностью оптических компонентов ВОЛС, использующих управляющий оптический сигнал. Действие последнего сводится к изменению оптических свойств прозрачной среды устройства (эта область обычно называется смесителем, [2]), которые
влияют на условия распространения там оптического излучения, переносящего информационный сигнал, обычно имеющего другую центральную длину волны.
В рамках такой концепции большое внимание уделено разработке оптических ключей и коммутаторов, основанных на эффекте нелинейного двулучепрелом-лении, [7], [8]. Основной принцип их работы можно сформулировать следующим образом. Информационное излучение (здесь и далее - переносящее информационный цифровой сигнал) подаётся в смеситель, выполненный из анизотропного материала, двулучепре-ломляющие свойства которого зависят от плотности вводимого оптического излучения - присутствия или отсутствия более интенсивного управляющего излучения. Подачей последнего можно менять условия преломления (прежде всего угол преломления) для информационного излучения, соответственно, перенаправлять его в пространстве. Если в области выходного торца (торцов) смесителя разместить выходные оптические световоды, координаты мест прикреплений которых соответствуют точкам прохождения информационного излучения при наличии и отсутствии управляющего сигнала, то такое оптическое устройство будет выполнять функцию оптического переключателя каналов. Безусловно, подобные коммутаторы обладают хорошими техническими показателями (надёжностью, помехоустойчивостью, скоростью переключения, сроком службы и т.д.) и найдут широкое применение в ЛОМТ-сетях. Но представленные компоненты обладают и недостатками. Во-первых, очевидно, что такие устройства являются весьма чувствительными к состоянию поляризации как информационного, так и управляющего излучений, [2, 3, 7, 9 и др.]. Это накладывает ограничения на применяемые волокна или приводит к требованию дополнительного использования оптического поляризатора на входе устройства, снижающего динамический диапазон сигнала. Во-вторых, для того, что бы разделить в пространстве смесителя световые информационные пучки прежде, чем они попадут в выходные световоды, требуется немалое (относительно диаметра световода) расстояние - порядка нескольких десятков и даже сотен микрометров, [2, 10]. Это не только увеличивает поперечные размеры смесителя, разумеется, вместе с изменением модового состава информационного излучения (что увеличивает дисперсию в сигнале, снижает допустимую битовую скорость передачи и т.д.), но и снижает помехоустойчивость устройства влиянию вибрации, действию значительных электрических потенциалов. Последние, прежде всего, действуют на двулучепреломляющие оптические свойства, [5, 6].
Вообще говоря, идея об использовании многолучевого интерференционного компонента, выполняющего функцию фильтра [7, 11, 12, 13] в системах цифровых телекоммуникаций с учётом вносимых им искажений в цифровой сигнал [14] в данном случае не является пионерской, а лишь развитием ранее полученных результатов.
С целью изучения возможности создания полностью оптических коммутаторов, решающих аналогичную техническую задачу, предлагается использовать
физический эффект нелинейной зависимости показателя преломления изотропной прозрачной среды п (без привлечения анизотропии, двулучепреломления, и т.д.) от интенсивности входного оптического излучения. Изменение значения п в области смесителя действием управляющего излучения приведёт к изменению длины волны информационного излучения [3]. Если смеситель помещён в интерферометр, то присутствие или отсутствие управляющего излучения будет оказывать влияние на результирующую интерференционную картину или выходной сигнал интерферометра. Если такое нелинейное устройство предназначено для выполнения функции ключа, пропускающего информационный сигнал в отсутствии управляющего и отражающего информационный сигнал обратно при наличии управляющего излучения, то на входном свето-водном канале (перед входом в устройство) следует разместить оптический изолятор - для предотвращения попадания отражённого информационного излучения к лазеру и другим компонентам. В отношении выбора типа интерферометра предпочтительным является использование многолучевого интерферометра Фабри-Перо (ИФП) [2] в сравнении с двухлучевыми интерференционными устройствами: Маха-Цендера, Майкельсона и т.д. Объяснением может служить как более высокая чувствительность ИФП (прежде всего из-за большого количества интерферирующих лучей), так и помехоустойчивость, что связано с влиянием воздействующего фактора сразу на все лучи, а не на какой-либо один из каналов. Так интерференционный ключ пропускает информационное излучение в отсутствии управляющего сигнала (в области выходного зеркала ИФП имеет место максимум стоячей волны) и отражает информационное излучение при наличии управляющего сигнала, рис. 1.
|ЭввО
а)
б)
Рис. 1. Иллюстрация принципа действия
интерференционного ключа: а) информационное излучение проходит в выходной световодный канал, б) информационное излучение отражается.
На рисунке обозначено: 1 - входное зеркало ИФП, 2 - выходное зеркало
Не менее интересным представляется построение переключателя оптических каналов с использованием данного эффекта. Принцип работы интерференционного коммутатора также основан на том, что изменением значения п можно в окрестности одной и той же пространственной координаты чередовать
положение максимумов и минимумов стоячей световой волны, имеющей место в резонаторе Фабри-Перо. Если подбором технических параметров интерферометра обеспечить одновременное выполнение двух условий для информационного излучения: 1) максимум стоячей волны находится в области одного из выходных световодных каналов, и 2) минимум стоячей волны находится в области второго выходного световодного канала, то информационное излучение будет подаваться в первый выходной канал, рис. 2. С взаимозаменой положений минимумов и максимумов стоячей волны (действием управляющего излучения) произойдёт переключение оптических каналов.
Вход Выход 1
ИФП со смесителем
Оптическое управление
а) —
б) —
ХЭО^
эеее
Выход 2
К выходу 1
К выходу 2
Рис. 2. Иллюстрация принципа действия интерференционного коммутатора: а) информационное излучение проходит в первый выходной световодный канал, б) информационное излучение проходит во второй выходной канал
Технические аспекты реализации интерференционных коммутаторов
За привлекательной стороной полностью оптических интерференционных коммутаторов, состоящей как в независимости их работоспособности от состояния поляризации входного излучения, так и в возможности обеспечения малых габаритов устройства, кроется немало сложностей при проработке инженерной концепции к их созданию.
К методологическим сложностям следует отнести наличие постоянной составляющей в интерференционной картине ИФП, что приведёт к аддитивному шуму в смежном канале и снижению динамического диапазона цифрового сигнала, подаваемого в подключаемый канал, а также искажения фронтов импульсов действием интерференции - из-за сЫгр-эффекта, свойственного полупроводниковому лазеру, [14, 15]. Не менее значимыми могут оказаться конст-рукторско-технологические проблемы, стоящие на пути к созданию интерференционных коммутаторов. К ним следует отнести способ изготовления смесителя, обеспечивающего различное расположение торцов выходных световодов относительно входного торца, рис. 2, с учётом требования о минимизации его размеров. Последнее связано с желанием использовать приемлемые мощности управляющего излучения (составляющие порядка 1 Вт с целью снижения негативного влияния нелинейных оптических эффектов как в подводящем его световоде, так и в смесите-
ле) с одновременным эффективным смещением показателя преломления смесителя, т.е. получением в смесителе высоких оптических интенсивностей. В этой связи будет актуальным вопрос минимизации паразитных нелинейных эффектов непосредственно в области смесителя, где необходимо реализовать высокую плотность оптического излучения для эффективного изменения п.
Далее представлен краткий анализ перечисленных технических проблем и намечены пути к их решению.
В отношении постоянной составляющей интерференционной картины Фабри-Перо можно сказать, что её значение существенно зависит от коэффициентов отражения зеркал р, рис. 3. С увеличением р до значений 0,8 и выше постоянная составляющая остаётся меньше 10% от амплитуды максимума, [2, 14].
1? и
1,0
Ь
0,5-
о
0 к
1
0
\\
1
П
г.
\\
0 п 2к
Набег фаз интерферирующих лучей, рад
Рис. 3. Иллюстрация зависимости передаточной функции многолучевого интерферометра от набега фаз интерферирующих лучей для различных значений р: 1 - Рифп =0,6; 2 - Рифп =0,8;
3 - двухрезонаторный многолучевой интерферометр с коэффициентом отражения - Рдифп =0,8, [13]
Ещё более значительного снижения постоянной составляющей и повышения контрастности интерференционной картины можно добиться путём применением двухрезонаторного интерферометра Фабри-Перо (ДИФП) [16], который представляет собой ИФП с волоконной обратной связью, рис. 4. Действие второго резонансного контура приводит к увеличению контрастности в интерференционной картине в сравнении с ИФП при том же значении коэффициента отражения зеркал, и к появлению дополнительного резонанса на периоде передаточной функции.
Рис. 4. Оптоволоконная схема двухрезонаторного многолучевого интерферометра
Так, для ДИФП с р=0,8 значение постоянной составляющей не превосходит 6.7%. Если устройство
предназначено для коммутации каналов с мощностью 0,5 мВт [17], то аддитивный шум в смежном канале, связанный с рассматриваемым интерференционным эффектом, составит порядок 30.40 мкВт, что является допустимым для системы передачи данных в соответствии с [17, 18]. Уменьшение уровня мощности выходного информационного сигнала, прошедшего интерференционный коммутатор, может быть скомпенсировано волоконно-оптическим усилителем [2].
В отношении эффекта изменения длины волны полупроводникового лазера (сЫгр-эффекта) при модуляции его тока накачки ¡(Х) будут иметь место искажения формы импульсного сигнала, рис. 5. Однако в [12] показано, что искажения относятся только к фронтам импульсов и зависят от параметров интерферометра. ^ Мощность
Рис. 5. Иллюстрация искажений формы цифрового импульса действием многолучевой интерференции. На рисунке обозначено: Хф - длительность фронта
реального трапециидального импульса, 1 и 2 - искажённые импульсы, 1 - интерферометр к моменту окончания Хф остался в районе прежней рабочей точки, 2 - положение рабочей точки интерферометра изменилось, появилась отражённая волна с амплитудой А; 3 - неискажённый импульс
Если длина волны излучения лазера меняется по закону [15]:
дХ
Х = Х 0 +--1(г) = Х 0 + АХ
д1
(1)
и АХ не превосходит 0,1.0,5% от Х0, что имеет место для большинства современных полупроводниковых лазеров, то изменение результирующего набега фаз лучей в интерферометре Фабри-Перо:
4 п пк
8( х; =
X
|А8( АХ ) = ^ 'АХ
:8-
АХ Х 0
(2)
где к - база ИФП (расстояние между зеркалами), также останется меньше 1% от периода, т.е. не превысит 0,06 рад. Для ИФП с р^0,8 или ДИФП с р^0.7...0,8 передача как цифрового импульса, так и паузы будет соответствовать требуемой рабочей точке интерферометра. На качество приёма искажённые фронты влияния практически не окажут как в связи с применением помехоустойчивых методов обработки сигнала в приёмнике, так и по причине использования в современных сетевых приёмниках устройств срабатывания, принимающих решение по
факту превышения энергии (а не мощности) принятого сигнала (импульса) над установленным пороговым значением, [19]. Искажённые фронты приводят к перераспределению поступающей энергии во времени, но не к её изменению при условии малого влияния ДХ на 0(Х), что в данных устройствах является обязательным.
Оценим характерный радиус смесителя, представляющего собой область резонатора Фабри-Перо (по рис. 1 и 2). Коэффициент преломления п, зависящий от интенсивности управляющего излучения 1упр, можно представить [8]:
• Z,
П = П0 + п • 21упр
(3)
где п - нелинейная составляющая показателя преломления, в зависимости от свойств среды может быть как положительной, так и отрицательной величиной; для кварцевых стекол положительна и приблизительно равна 10-15 м2/В2 и имеет слабую зависимость от частоты света а в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне; 2 - волновое сопротивление среды (направляющей структуры).
Пусть в отсутствии управляющего излучения ИФП настроен на максимум пропускания информационного излучения с длиной волны Х (для наглядности оценки рассматривается интерференционный ключ). Подача управляющего излучения изменяет показатель преломления, и рабочая точка ИФП смещается по его передаточной характеристике, рис. 6. Обозначим для первого случая разность хода лучей 0Ь для второго - 82. Тогда с учётом выражения для передаточной функции ИФП для интенсивности
информационного сигнала на выходе 1вфф относительно её входного значения Т^ф справедливо следующее [2]:
т вых = т вых ( ) = 1 т вх = т вх
инф,1 ~ инф у1/_ инф ~ инф
т вых _ т вых /о \ _ 1 инф ,2 = 1 инф V0 2) =
вх инф
4р . 21 О2
(1 -р)2
2
(4)
С учётом того, что передаточная функция ИФП имеет постоянную составляющую, согласно [2] равную:
твых _ 7 вх инф, пап~ инф
1 -Р 1 + Р
(5)
и, кроме того, реализуемое технически наименьшее значение может превосходить 1в,ф,тт в а раз, то
/аио
... 2 можно записать:
инф
(02 )
инф
1 +
4р
( -Р)2
22
1 -Р 1 + Р
(6)
8, д2 Набег фаз, рад
Рис. 6. Иллюстрация смещения рабочей точки ИФП при изменении О
Из (6) получаем соотношение для 02/2 : 0- = агезт-^,
2
5 =
1±£)2 _ ДМ
1 -р
(7)
4р
Заметим, что
Д0(Дп) = — •Дп и Д0 = 02-0^
учётом (7) запишем: 2 п И
г— 4 п И „ — Р Га\ • Ап = агсвт V5 = —;— п • 1--- , (8)
X X пг~
где г - искомый радиус смесителя, Р - мощность (в Вт) управляющего излучения, подаваемого в смеситель для смещения рабочей точки ИФП. Выражение (8) представляет собой соотношение между конструктивными параметрами устройства: длиной И и радиусом г смесителя, и мощностью управляющего излучения Р.
Произведём численную оценку радиуса смесителя для наиболее типичных конструктивных параметров волоконного ИФП, [11, 12]: А=0,1 мм - при необходимости выполнения смесителя с меньшей длиной стоимость его изготовления будет существенно увеличиваться; для смесителя с длиной, превосходящей 0,1 мм, начнётся заметное негативное влияние конечной когерентности излучения, приводящей к размытию интерференционной картины. Пусть длина волны управляющего излучения составляет 980 нм. Этот выбор обусловлен широким парком мощных полупроводниковых лазеров, обладающих различными эксплуатационно-техническими параметрами, серийно изготавливающихся в России и за рубежом и использующихся для накачки световода EDFA [20]. Волновое сопротивление излучению среды смесителя для состоятельности оценки возьмём равным 120-л Ом. Тогда для р=0,8 получаем: 8=0,90795, и далее для мощности управляющего сигнала в пределах
0,5____1 Вт получаем, что средний радиус смесителя
должен составлять 10.. .24 мкм.
а
с
и
2
2
вых
1
= а
вх
2
Поясним, что понимается под «средним» радиусом смесителя. Желание снизить влияние межмодо-вой дисперсии с учётом значительной длины оптического пути в ИФП из-за переотражений (тем более в ДИФП) приводит к необходимости исполнять направляющую структуру такой, которая поддерживала бы единственную поперечную моду. С этой точки зрения диаметр смесителя не должен превосходить 10 мкм. С другой стороны, такой малый диаметр смесителя затрудняет монтаж многомодового или нескольких одномодовых световодов стандартного диаметра в области его входных и выходных торцов. Для обеспечения как удобства технической реализации устройства с выполнением требования одно-или маломодового режима возбуждения мод в нём, а также для снижения мощности управляющего излучения предлагается смеситель выполнять в форме тела вращения с зауженной средней частью, рис. 7, по аналогии с [11, 12].
О
8
10 мкм
3-
мкм
Рис. 7. Примерный вид смесителя, представляющего собой область резонатора Фабри-Перо.
Кривые 1 и 2 характеризуют различные виды профиля в зависимости от требуемого наименьшего радиуса: 1 - направляющая структура многомодовая, 2 - одномодовая
Далее остановимся на таком техническом аспекте, как повышенное влияние паразитных нелинейных оптических эффектов в смесителе, принимая во внимание его зауженную часть. Наиболее значимым эффектом, имеющим место в оптических кварцевых материалах, является вынужденное рассеяние Ман-дельштама-Бриллюэна (ВРМБ), представляющего собой рассеяние падающей световой волны (в данном случае как информационного, так и управляющего излучений) на гиперзвуковой волне, появляющейся в материале под действием падающего света
- из-за эффекта электрострикции [8]. Так как кварц
- электрострикционный материал, то ВРМБ является наиболее значимым эффектом и, вообще говоря, уже начинает заметно проявляться на интенсивно-стях, необходимых для создания требуемого нелинейного режима преломления в смесителе [21]. Тем не менее, проводимые в настоящее время работы, направленные на исследование оптических свойств прозрачного кварца в нанокристаллическом состоянии [22, 23 и др.], показали, что наноструктурный кварц обладает пониженным действием ВРМБ из-за его повышенной твёрдости и одновременно пластичности, что вообще присуще наноструктурным материалам [24, 25], а в данном случае оказывает
демпфирующее действие на гиперзвуковую волну. В этой связи исполнение смесителя из такого материала, что пока представляет собой дорогостоящее мероприятие, позволит уменьшить действие ВРМБ и реализовать требуемый нелинейный режим преломления. Другие базовые нелинейные эффекты [8], как нелинейное затухание (из-за многофотонного поглощения), модуляционная неустойчивость и параметрическая генерация гармоник, во-первых, проявляются чрезвычайно слабо [21, 26, 27], во-вторых, относительно несложно устраняются техническими мероприятиями. Под последними можно понимать соответствующий выбор длин волн управляющего и информационного излучений, снижение анизотропии в смесителе, что как раз характерно нанострук-турным материалам из-за повышенной измельчён-ности и однородности кристаллита, и так далее. Следовательно, снижение влияния паразитных нелинейных эффектов на передаваемый цифровой сигнал можно обеспечить уменьшением мощности сигнала управления, подбором технических характеристик интерференционного коммутатора и применением нанокристаллического кварца при его изготовлении.
С целью как минимизации конструкции устройства, так и влияния паразитных нелинейных оптических эффектов в подводящем канале - из-за уменьшения требуемой мощности управления, смеситель может быть выполнен с ещё меньшими размерами в сравнении с представленными на рис. 7.
Согласно рис. 8 и 9, смеситель может быть выполнен с малыми размерами, составляющими порядок диаметров одномодовых световодов, следовательно, технические параметры интерференционного коммутатора можно подбирать в достаточно широких пределах в зависимости от решаемой телекоммуникационной задачи.
Оболочка
У ШША
Покрытие, определяющее коэффициент отражения зеркал_
Покрытие, не пропускающее свет (аналог светодтодной оболочки)
Совместное расположение сердцевин световодов внутри общей оболочки
* - 1. Нижняя световодная сердцевина располагается внутри отверстия в смесителе
2. Область между торцем верхнего световода и отступающим от него торцом смесителя заливается иммерсионным клеем.
Рис. 8а Подход к реализации конструкции интерференционного коммутатора
Рис. 8б. Подход к огранке торцов выходных световодных каналов
Торец широкого световода, к которому приклеивается профиль смесителя
Л.
•'1ЩШЩ
Световод
большого
диаметра,
по которому
передается
мощное
излучение
к Информационные световоды 4 небольшого диаметра
Рис. 9. Подход к реализации способа подведения мощного управляющего излучения к смесителю независимо от цифрового информационного канала
Перспективные направления исследований на пути создания интерференционных коммутаторов Необходимо заметить, что проведённая оценка основных технических параметров интерференционного переключающего устройства в соответствии с выражениями (7), (8), иллюстрирующая перемещение рабочей точки интерферометра, рис. 6, справедлива при действии следующих базовых предположений:
1) технические параметры ИФП изменяются со временем значительно медленнее, чем характерная длительность импульса в системе передачи. Или по-другому - интерферометр имеет постоянные технические параметры в сравнении с характерными временами изменения параметров входного сигнала;
2) интерференционная картина в ИФП соответствует случаю, представленному в [2], т.е. интерферометр имеет плоские бесконечно длинные зеркала, а область между ними не обладает какими-либо
свойствами направляющей структуры. Иными словами, излучение отражается только от зеркал ИФП, но не от профиля, расположенного между ними.
Скорость изменения показателя преломления в области интерферометра характеризуется временем «перестройки» оптической среды тп и зависит от быстроты изменения параметров движения оптических электронов, (расположенных на внешних энергетических уровнях). Нелинейный режим преломления связан с процессом переизлучения фотонов электронами, иными словами - с формой зависимости поляризации вещества от электрической напряжённости падающего светового поля [8, 28]. Если говорить о протяжённой структуре вещества (световоде), то оптические эффекты начинают проявляться в «установившемся режиме» после прохождения излучением длины X, зависящей от интенсивности входного сигнала и плотности прозрачного вещества. Расстояние X (отмеряемое, например, от входного торца структуры) определяется тем условием, что всё распространяющееся далее излучение получено уже от «вторичных» по Гюйгенсу [29] источников и не содержит ни одного фотона, изначально вошедшего в среду. Для кварцевых стёкол и реальных ин-тенсивностей излучения, использующихся в телекоммуникациях и информационно-измерительных системах, величина X незначительна и не превосходит нескольких микрометров [8, 9]. Следовательно, время перестройки оптической среды составит порядок тп и X • п/с и 10-13 ...10-14 с, где с - скорость света в вакууме. Это время гораздо меньше такта в цифровых системах передачи, длительность которого для синхронной сети уровня 8ТМ-256 составляет около 10-10 с. Но время тп сравнимо с временем «нахождения» излучения в интерферометре тн, которое может быть оценено через эффективную длину оптического пути в ИФП с учётом эффективного количества переотражений и скорости света в оптической среде:
т иТР
1 -р
/ п
(9)
Подставляя в (9) значения рассматриваемого ИФП, получаем, что тн и 10-13.10-14 с. Иными словами, в момент подачи управляющего излучения в ИФП его передаточная функция, вообще говоря, не будет соответствовать известной, приведённой в [2]. Аналогичная проблема, связанная с моделированием процесса работы ИФП в случае быстрого изменения его параметров, затрагивалась в [30] при разработке подходов к созданию полностью оптических бистабильных устройств. Применительно к рассматриваемой задаче следует отметить, что изучение процесса, происходящего в момент подачи управляющего излучения в ИФП, является предметом дальнейших технических исследований. Тем не менее, если выставить требование по непрерывности управляющего излучения и согласиться с незначительной возможной потерей информации (напри-
н
с
мер, 1 бита), то процесс работы интерференционного коммутатора может быть описан на базе известной математической модели ИФП [2].
В отношении зависимости передаточной функции ИФП от наличия профиля направляющей структуры между его зеркалами следует говорить о необходимости математического моделирования пространственной интерференционной картины (формы стоячей волны в резонаторе) с учётом лучей, отражённых от направляющего профиля, рис. 10.
У1
ОI ха х
Рис. 10. Иллюстрация лучевого подхода к получению пространственной интерференционной картины в ИФП с учётом направляющей структуры между его зеркалами. Кривая 12 не показана
Предполагается, что в произвольной точке М складываются лучи, идущие от торца, а также отражённые от верхнего и нижнего (не показан) профилей смесителя, характеризующихся кривыми 11 и 12. Если на профиль смесителя нанесено отражающее покрытие, то роль этих лучей ещё усиливается. Так, каждое слагаемое ряда, характеризующего складывающиеся лучи в ИФП [2], будет состоять из четырёх частей: кроме отражения от зеркал добавятся ещё лучи, отражённые от нижнего и верхнего профилей. Именно таким методом была получена передаточная функция ДИФП [16].
Кроме лучевого метода задачу о моделировании пространственной интерференционной картины в сложном резонаторе можно решить с использованием волнового подхода - путём решения уравнения Шредингера в заданной направляющей структуре. Подобный подход был успешно применён при исследовании процесса передачи излучения по оптоволоконной системе, составленной из волокон с различными техническими характеристиками, [31]. В любом случае, после проведения указанного моделирования представляется целесообразным выполнить оптимизацию формы смесителя с учётом возможного отражающего покрытия, нанесённого на вогнутый профиль, и далее произвести конструк-торско-технологическую проработку устройства интерференционного коммутатора и оснастки для его изготовления.
Выводы
Таким образом, в результате исследования возможности построения коммутаторов оптических сигналов, управляемых оптическим излучением,
выявлено следующее. Представляется технически реализуемым построение таких устройств с использованием эффекта нелинейной зависимости показателя преломления оптической среды от интенсивности управляющего излучения. Причём для контроля результирующей длины волны излучения в среде предлагается использовать многолучевой интерферометр - ввиду его высокой чувствительности к изменению фазового набега лучей.
Подобное устройство, равно как и аналогичные, обладает соответствующими достоинствами и недостатками. К достоинствам следует отнести высокую скорость переключения, независимость работоспособности от состояния поляризации излучения, малогабаритность конструкции, в которой соответствующим подбором технических параметров можно исключить какое-либо преобразование мод излучения (направляющая структура везде может оставаться одномодовой). Среди недостатков наиболее значимыми являются наличие постоянной составляющей в интерференционной картине, высокая трудоёмкость изготовления устройства и искажение действием нелинейных оптических эффектов и интерференции передаваемого цифрового сигнала. Тем не менее, предварительная оценка показала наличие возможности частичной компенсации недостатков устройства путём применения ряда инженерно-технических мероприятий.
Литература
1. Правила устройства электроустановок. Шестое издание с изм. и доп., принятыми Главгосэнергонадзором РФ. - С.-Петербург: изд-во «Деан», 2000. - 926 с.
2. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети // М.: Издательство Эко-Трендз, 2000. - 267с.
3. Матвеев А.Н. Оптика: Учеб.пособие для физ.спец. вузов // М.: Высшая школа, 1985.- 351 с.
4. Султанов А.Х., Усманов Р.Г., Виноградова И.Л., Алькин Ю.П. Реконструкция ведомственной сети ОАО «Башкирэнерго» // ВКСС, - 2002. № 3. С. 60-69.
5. Бурдин В.А., Головина О.П., Платонов А.А. Стойкость оптических волокон к действию электрических разрядов // Тез. докл. Российской научн.-техн. конф. проф.-преп. и инж.-техн. Состава. Самара: ПИИРС, 1996. С. 62.
6. Бурдин В.А., Головина О.П., Платонов А.Н. Модель воздействия импульсных электромагнитных полей на оптические кабели связи для подземной и воздушной прокладки // Тез. докл. I Поволжской научн.-техн. конф. по проблемам двойного применения - Самара, 1995. - с. 94.
7. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы // Сборник статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. - М.: Издательство «Connect», 2000. - 376 с.
8. Agrawal Govind P. Nonlinear fiber optics. - Boston: Academic Press, 2000. Р. 458.
9. Becter P.C., Olsson N.A., Simpson J.R. Erbium-Doped Fiber Amplifiers. - Boston: Academic Press, 1999. Р. 460.
10. Agrawal Govind P. Applications of Nonlinear fiber optics // Boston: Academic Press, 2001. Р. 466.
11. А.с. 1697035 СССР, МКИ5 G 02 B 6/28. Волоконно-оптический разветвитель / Р.А. Тухватуллин, Л.Е. Виноградова, И. Л. Виноградова, С. П. Ржевский, Бюлл. № 45. - 1991.
12. А.с. СССР № 1760494, МКИ5 G 02 B 6/28 Волоконно-оптический разветвитель / Р.А. Тухватуллин, И.Л. Виноградова, Л.Е. Виноградова Бюлл. № 33. - 1992.
13. Султанов А.Х., Якубов Т.Я., Виноградова И.Л. Волоконно-оптический усилитель. Патент РФ № 2203502 от 25 апреля 2001 г., зарегистрирован в Гос. реестре изобретений 27.04.2003 г.
14. Виноградова И.Л., Султанов А.Х. Статистический подход к описанию интерферометров Фабри-Перо как элементов многолучевой интерференции в линиях связи // Радиотехника.2000. № 1. С. 45-49.
15. Гауэр Дж. Оптические системы связи // Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. - 504 с.
16. Виноградова И. Л. Характеристики двухрезонатороного интерферометра Фабри-Перо // Радиотехника. 2002. № 6. С. 33-37.
17. ОСТ 45.104-97. Стыки оптические систем передачи синхронной цифровой иерархии. Стандарт отрасли. М.: ЦНТИ «Информсвязь». - 1997. - 27 с.
18. Рекомендация МСЭ-Т G.703. Физические и электрические характеристики иерархических цифровых стыков. М.: ЦНТИ «Информсвязь». 1988. -63 с.
19. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH // М.: Издательство Эко-Трендз, 2000. - 148 с.
20. Лощенков А.А., Виноградова И.Л. Лазеры накачки для усилителя EDFA на сегменте волоконно-оптической линии связи // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Сб. докладов Пятой международной научн.-техн. конф. ПГАТИ, Самара. 2004. С. 34-38.
21. Султанов А.Х., Усманов Р.Г., Виноградова И.Л. Сегмент системы передачи с усилителем EDFA // Датчики и системы, 2002. № 4, С. 21-33.
22. Султанов А.Х., Шарифгалиев И.А., Канаков В.И., Виноградова И.Л. Исследование влияния нелинейных
оптических эффектов в мелкозернистых стёклах на передаваемый импульсный сигнал // Вестник УГАТУ, 2004. № 1. С. 24-31.
23. Султанов А.Х., Канаков В.И., Виноградова И.Л. Нелинейные оптические эффекты в волоконно-оптических компонентах, построенных на основе деформированных стёкол. // Инфокоммуникационные технологии. 2003. № 2. С. 47-52.
24. Гусев А.И., Ремпель А.А. Поликрис-таллические материалы // М.: Физ.-мат. лит., 2001. - 224 с.
25. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией // М.: Издательство «Логос», 2000.-346с.
26. Султанов А.Х., Усманов Р.Г., Виноградова И.Л. Сегмент синхронной сети с восстановлением сигнала без оптоэлектронного преобразования // УГАТУ. Уфа, 2002. - 30 с.
27. Усманов Р. Г. Исследование появления многофотонного поглощения и параметрической генерации в сегменте синхронной сети с эрбиевым усилителем // Радиолокация, навигация, связь: Сб. докладов Международной науч. - техн. конф. RLNC2002. Воронеж, НПФ «Саквое», 2002. С. 12211230.
28. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия // Отв. Ред. М.Е. Жаботинский. М.: Сов. Энциклопедия, 1969. - 432 с.
29. Сивухин Д.В. Общий курс физики // Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.
30. Гиббс Х. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света // Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 520 с.
31. Бурдин В. А. Основы моделирования кусочно-регулярных волоконно-оптических линий передачи сетей связи // М.: Радио и связь, 2002. - 310 с.
