Мультиплексоры на интерференционных фильтрах
2.1. Матрица передачи
Оптические свойства волоконно-оптических устройств ветвления могут быть определены в терминах матрицы коэффициентов n×n, гдеn– число портов, а коэффициенты представляют часть мощности, передаваемой между назначенными портами. В общем случае матрица передачиТимеет вид:
Демультиплексор имеют один вход и n выходов, между которыми распределяется мощность входного сигнала. Следовательно, матрица передачи трансформируется в вектор:
В данной записи опущен первый индекс, а выходы демультиплексора обозначены через индекс i. Так же не учитывается затухание сигнала в оптических элементах демультиплексора.
В дальнейших обозначениях, первый индекс будем опускать.2.1. Принципы действия и структура мультиплексора
Принцип действия данного мультиплексора/демультиплексора основан на применении интерференционных (тонкопленочных) фильтров (thin films). Интерференционный фильтр состоит из нескольких чередующихся слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных на прозрачную подложку (рисунок. 2.1). Прозрачный диэлектрик имеет точный показатель преломления, который может изменяться от 1.42 до 2.0 (точность до 6 знаков после запятой), а разность показателей преломления обычно составляет порядка 10-3 – 10-4. Толщина структуры LTF обычно составляет несколько десятков миллиметров.
Интерференционный фильтр, отражает заданный интервал длин волн и пропускает все остальные. Для определения этого интервала необходимо рассчитать следующие параметры фильтра: показатели преломления (n1, n2), толщину периодической структуры – L, период следования слоёв – ΔTF и определить угол падения светового пучка на фильтр – θTF.
Рисунок 2.1 – Конструкция интерференционного фильтра, где и – слои с показателями преломления n1 и n2, LTF – толщина структуры, ΔTF – период структуры, k, k’, k’’ – волновые вектора падающей, отражённой и прошедшей световых волн, θTF – угол падения волны.
Расчётные формулы для определения параметров фильтра приведены в литературе [1] а техника нанесения слоев хорошо известны в оптической промышленности, что позволяет создавать недорогие фильтры с различными спектральными свойствами.
Тонкопленочные фильтры имеют полосу пропускания достаточную для использования в системах WDM с 16-ю и 32-мя каналами.
На рисунок 2.2 приведена структурная схема оптического мультиплексора/демультиплексора, состоящая из набора тонкопленочных фильтров, каждый из которых добавляет/выделяет из общего сигнала один информационный. Фильтры расположены под наклоном θTF=45˚ к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в общий сигнал.
Рисунок 2.2 – Мультиплексор/демультиплексор на основе многоступенчатой системы тонкопленочных фильтров, где F1 , F2 , … , Fn – набор фильтров, настроенных каждый на свою длину волны.
На рисунке 2.3 представлена структурная схема модуля мультиплексора/демультиплексора для выделения/ответвления одного канала из группового сигнала. Основу модуля составляют два одинаковых интерференционных фильтра находящихся в разных плечах интерферометра Маха-Цендера [2].
Рисунок 2.3 – Модуль мультиплексирования/демультиплексирования одного канала, на основе интерференционных фильтров и интерферометра Маха-Цендера.
Рассмотрим принцип действия этого устройства на примере выделения второго канала с λ2. Групповой сигнал подается на вход 1, делится поровну и попадает на фильтры, для которых условие Брегга выполняется для оптической несущей второго канала. Далее сигнал второго канала отражается от фильтра, вновь попадает на направленный ответвитель, где когерентно складывается и поступает на вход 2. Этот модуль может так же добавлять сигнал с заданной несущей (в данном случае с λ2) в групповой сигнал, через порт 3. Структурная схема демультиплексора на основе этого модуля, представлена на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Мультиплексор/демультиплексор на основе интерферометров Маха-Цендера.
К недостаткам демультиплексоров на основе этих модулей можно отнести условие точного равенства плеч у интерферометра Маха-Цендера.
Рисунок 2.5 – Демультиплексор на основе циркулятора.
Часто, при построении демультиплексоров, используется структурная схема изображённая на рисунке 2.5. Из группового сигнала, фильтр отражает обратно только один канал, который затем отводится с помощью циркулятора.
Данная схема позволяет изготавливать интерференционный фильтр непосредственно в оптическом (фоточувствительном) волокне, как показано на рисунке 2.6. Такая конструкция называется волоконная решётка.
Волокно можно сделать фоточувствительным, если в него добавить примеси германия. Затем это волокно подвергают воздействию ультрафиолетового света, что вызывает изменения показателя преломления в сердцевине волокна. Обычно решётка создаётся с помощью облучения волокна двумя интерферирующими ультрафиолетовыми лучами.
Рисунок 2.6 – Конструкция интерференционного фильтра, выполненного в оптическом волокне (волоконная решётка).
Для производства решеток также может быть использована фазовая маска, которая расщепляет пучок ультрафиолетового света на различные дифракционные порядки, которые, интерферируя, создают решетку внутри