Вносимые оптические потери и переходные помехи в акустооптическом переключателе каналов воспи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Вносимые оптические потери и переходные помехи

в акустооптическом переключателе каналов ВОСПИ

Юрий ВАСИЛЬЕВ, д. т. н., профессор

Акустооптические устройства (АОУ) находят широкое применение в волоконно-оптических системах передачи информации (ВОСПИ) в качестве коммутационных устройств разного функционального назначения: переключателей, коммутаторов, устройств доступа, спектральных АОУ [1—8]. Основные параметры коммутационных АОУ — это уровень переходных оптических помех между переключаемыми каналами и вносимые оптические потери [1, 2].

В работах [1-3] проведены расчеты этих параметров двухкоординатного акус-тооптического переключателя (ДАОП), модификация которого изображена на рис. 1, где 1 — оптическое волокно (ОВ) входного канала а1; 2 — коллимирующий элемент, расширяющий световой пучок; 3 — двухкоординатная акустооптическая ячейка (ДАОЯ), состоящая из акустооптического кристалла (звукопровода) 4, пьезопреобразователей 5 и 6 акустических горизонтального и вертикального каналов; 7 — двухканальный генератор, управляющий ДАОЯ для переключения канала а1 через фокусирующий элемент 8 в ОВ 9 выходных оптических каналов а, в, У, о.

В оптических схемах на рис. 1 в качестве элементов 2 и 8 используются соответственно сферические линзы и микрооптические градиентные линзы типа «градан», торцы которых состыкованы с ОВ 1 и 9. Работа ДАОП, изображенных на рис. 1, изложена в [1] и [2,3]. Свойства коллимирующих и фокусирующих «граданов» подробно описаны в работах [2-5, 8, 9]. В [9] автором на основе «граданов» рассмотрены пассивные оптические соедините-

ли. ДАОП могут быть отнесены к активным оптическим соединителям, так как переключение каналов осуществляется с помощью управляющего генератора 7, который возбуждает в ДАОЯ 3 акустическую волну, дифрагирует на ней световой пучок входного канала а1 и отклоняется в один из выходных каналов а, в, у, а.

В этих оптических схемах (рис. 1) засветка переключаемых оптических каналов осуществляется световыми пучками с постоянным распределением амплитуды светового поля в поперечном сечении [1-3].

При использовании ДАОП в составе ВОСПИ возникает необходимость в определенной корректировке расчетов с учетом одновременного влияния светового пучка, который имеет гауссовскую структуру, и акустического затухания на параметры ДАОП. Учитывая, что параметры оптических коммутационных устройств оказывают существенное влияние на качество передачи и приема информации ВОСПИ, эта задача своевременна и актуальна.

Проведем расчет уровня переходных оптических помех между оптическими кана-

лами р и д ДАОП, где р, д = а, в, у, о — выходные оптические каналы в виде ОВ.

Переключение входного канала а1 в один из выходных (а, в, у, о) осуществляется с помощью двухканального ВЧ-генератора 7 (рис. 1), возбуждающего в ДАОЯ 3 акустические волны соответствующими ВЧ-сигналами на частотах: /х = /у = /0.

Будем считать, что распределение интенсивности 1(х, у) в поперечном сечении светового пучка, излучаемого входным каналом а1, описывается функцией Гаусса:

1(х, у) = /оехр[-х(х2+у2)],

где 10 — интенсивность светового пучка на его оси.

ДАОЯ 3 состоит из двух акустических каналов 5 и 6, по которым вдоль ортогональных направлений х и у распространяются акустические волны, вызванные управляющими ВЧ-сигналами, которые поступают с генератора 7. При этом показатель преломления п(і, і) зву-копровода 4 ДАОЯ изменяется по закону:

п(і, і) = п0+Дп(г, ^)ехр[-єі(і'+0,5І)],

Рис. 1. Модификация двухкоординатного акустооптического переключателя

где п0 — показатель преломления невозмущенной среды ДАОЯ; An(i, £) = ЛАп, х хсо8{Ц)[£-(г+0,5!)/У]} — амплитуда изменения показателя преломления вдоль г-го направления; i = х, у У — скорость акустической волны; е, — коэффициент затухания акустической волны вдоль г-го направления; Л{ — амплитуда г-го ВЧ-сигнала; I — апертура ДАОЯ вдоль г-го направления; П = 2к]д.

Для упрощения расчетов рассмотрим случай, когда Л{ = 1, е1 = е.

Используя результаты работ [1, 2], можно показать, что интенсивности 1р (е, х) световых пучков, засвечивающих оптические каналы р (р = а, в, у, а), определяются по формуле:

Ір(є, X) = -0^(6, %)>

ЄДє,х) = ПДє>Х)’

Л (£>%) =

|^(є, X) ехрОю^Оа'г

-^-0,51

^,і = х ^Л=У ,

^.(є, х) = [ехр(-хг2)]ехр[-є0+0,5^)],

[2П(с+д/^а=с

1рШ(у, Х[) в фиксированной точке с координатами (^, у:

^ХО^Пр^Хі)’

(3)

где

Хі)со5(2пЄ^^)

ЛГ„=о N

(1)

(2)

Ф®^.х1) =

Ф®(У,Хі) =

Л(у.Хі)=ехР

0,=8іп(лЄ^)/ло/(^*)/лО;

-ХіС—-0,5)2-2у-Л1 N лг

где Вр = 1оВр12АР, Вр — коэффициенты, приведенные в [1]; Р — фокусное расстояние фокусирующей линзы 8, осуществляющей ввод дифрагированных световых пучков в выходные оптические каналы, расположенные в фокальной плоскости (^, ^) линзы, где координаты Е, и ^ параллельны соответственно х и у ^р и ^р — координаты точек, в которых расположены центры оптических каналов, совпадающие с центрами световых пучков, отклоненных в соответствующий оптический канал.

Центры оптических волокон каналов а, в, у, а расположены в точках (^а, ^а), (^р, ^р), (^, У и (^а, ^а), имеющих соответственно координаты (-^ ^ (-^ ^ (^ У и (^ ^ где ^о = ^о = Р 1ёФБ; Фб = агс81п(Х/о/2 У) — угол Брэгга, под которым световой пучок входного оптического канала засвечивает акустические каналы ДАОЯ.

Соотношение (1) представляет собой двумерное пространственное преобразование Фурье от функции Р{ (е, х) которая описывает влияние на распределение интенсивности дифрагированного света гауссовской структуры светового пучка и акустического затухания.

Для расчетов по формулам (1) и (2) используем численные методы. Вводя переменную ,1 = г+0,51 и используя ступенчатый метод численного анализа, получаем следующее выражение для отсчета интенсивности

где

^,Х1) = ^Пра(У,Х1), (4)

Ра(У>Хі) =Хт7Р?)(У>Хі) >

РаКЗСі)

у О II н о* II ;>

Мь-- V = °> Х1 = 1

и 0,5-

'Л V = °-5> /1 = 1

= 1, х, = 1

-1 і ' о»

Рис. 2. Графики функций р0(у, Х1) от параметров V, Х1

10м-| ЪРЩа=1, {(£*-|С,|У4«=С;

й = ХР/!, N = !/8! — выбранное число дискретных точек отсчета с шагом 8!, укладывающихся на апертуре !.

Величина <3® в выражении (3) описывает относительное смещение произвольной точки (^к, У относительно точки с координатами (^,, у, в которой расположен центр оптического канала р.

Выражение (3) позволяет найти распределение интенсивностей в произвольной точке фокальной плоскости (^, ^), в которой расположены выходные оптические каналы ДАОП.

Для нахождения интенсивности света Ір(V, х1), засвечивающего сердцевину оптического канала р, необходимо проинтегрировать полученное выражение (3) по координатам Е, и ^ в пределах сердцевины волокна.

Расчет Ір (V, х1) также проводится ступенчатым методом. В результате можно записать:

1)і ДБ

V = 0

V = 0,5

40 -

/// / \ v = 2

I / у-1

20 - I I I I I ъ

0 І І І І I ► 40 80 120 160 200 Оа

Рис. 3. Графики функций р>, -ц) от Wpq(v, -ц)

К — число точек отсчета, укладывающихся на диаметре 2А сердцевины волокна, К = 2А/8^, 8Е, — шаг отсчета.

Уровень переходных оптических помех между оптическими каналами р и д рассчитывается по формуле:

™рд(V Х1) = 10№р(^ Xl)/IP'г,(v, Х1Ж (5)

где 1р (V, х1) и 1рд)(у, х1) — значения интенсивности света, засвечивающего соответственно оптические каналы р и д при переключении входного оптического канала а1 в канал р.

Величины 1р(V, х1) и 1р(,)^, х1) определяются из соотношения (3). Только при расчете

1р(д)^, х1) вместо значений ^ и ^р, входящих в (2 *, следует подставить соответственно величины ^р-^д, ^р-^д, описывающие смещения центров оптических каналов р и д вдоль координат ^, ^.

Вносимые оптические потери в оптическом канале р ДАОП рассчитываются по формуле:

Ср^, Х1) = Cp(0,0)+8Cp(v, Х1), (6)

где Ср(0, 0) — оптические потери без учета структуры светового пучка и акустического затухания [2], 8Cp(v, Х1) = 10^[1р(0,0)ЯрК Х1)] — дополнительные оптические потери, зависящие от акустического затухания и структуры светового пучка.

В соответствии с алгоритмами (3), (4) были проведены расчеты значений относительной интенсивности Цд)^, Х1)/Вр, 1(V, х1) = = 1р^, Х1)/Вр, а также величины Wpд(v, Х1) по формуле (5) и дополнительные потери 8Ср^, х1), входящие в соотношение (6).

Графики функций ра^, х1), описывающих поведение I (V, х1) от параметров V, х1, а также Щр(/, х1) и 8Cp(v, х1) для случая А/й = 1 при различных значениях V и х1 представлены на рис. 2-4.

График, изображенный на рис. 3, построен для х1 = 1, когда р и д — каналы а и в, в и у, у и а, а и а. Величина <(а = | Яр-ад |/й представляет собой относительное смещение между каналами р и д.

SCp(v /1), ДБ

15

Х1 = 2 /у/

10

5 Zl = °

MS Х'=1

0,5 1 1,5 2 V

Рис. 4. Графики функций pa(v, Х1) от 5Cp(v, Х1)

Результаты расчетов показывают, что для диагональных каналов, когда р и отвечают каналам а и у, р и а, параметр Мр^(у, Х1) увеличивается в два раза по сравнению со случаем, соответствующим изображенному на рис. 3.

Расчетные значения Шр^(у, Х1) для случаев Х1 = V = 0 и Х1 = 0, VI Ф 0 совпадают с данными расчетов, полученными в работе [1].

Из этого следует, что существенное влияние на интенсивность световых пучков, вводимых в выходные оптические каналы ДАОП, оказывают структура входного светового пучка и затухание акустической волны. Увеличение параметров Х1и V снижает интенсивность переключаемых световых пучков, что приводит к росту оптических потерь, вносимых в тракт передачи ВОСПИ при оптической коммутации, и уменьшает уровень переходных помех Шря, приводящий к увеличению «паразитных» помех, проникающих в соседние выходные оптические каналы. Все это является причинами ухудшения качества приема информации, передаваемой по ВОСПИ.

Таким образом, при проектировании ДАОП необходимо формировать входной световой пучок с малым параметром Х и выбирать аку-стооптические материалы с меньшим акустическим затуханием е. ■

Литература

1. Васильев Ю. Г., Купцов А. Д. Перекрестные помехи в каналах акустооптического двухкоординатного разветвителя-переключателя // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1987. Вып. 5.

2. Васильев Ю. Г. , Заверткин Л. Д. Оптические потери в акустооптическом переключателе кана-

лов ВОСПИ // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1989. Вып. 5.

3. Васильев Ю. Г. Двухкоординатные акустоопти-ческие переключатели // Радиотехника. 1997. № 10.

4. Васильев Ю. Г. Микрооптические спектральные акустооптические устройства доступа для волоконно-оптических систем передачи // Радиотехника. 1999. № 9.

5. Васильев Ю. Г. Оптоэлектронные микрооптические устройства коммутации // Электротехника, электроэнергетика, электроника. Доклады юбилейной научно-техн. конф. СПб.: СЗПИ, 2000.

6. Vasilev Y. G. Microoptical ^mmutation Devices for Microsistem Technique. Тезисы докладов меж-дунар. научно-техн. конф. «СЕНС0Р-2000». СПб., 2000.

7. Васильев Ю. Г., Камышев А.Л. Исследование аку-стооптического коммутатора в составе волоконно-оптического тракта системы контроля и управления энергетическими объектами / Мат-лы науч. конф. Часть 1. СПб.: СЗТУ, 2003.

8. Васильев Ю. Г. Спектральное оптическое устройство доступа в канал передачи ВОСПИ на основе градиентных микролинз //Компоненты и технологии. 2007. № 7.

9. Васильев Ю. Г. Использование градиентных микролинз для соединения оптических элементов // Компоненты и технологии. 2007. № 10.