Сплавний волоконно-оптичний багатомодовий розгалужувач конфігурації 1хn

Сплавний волоконно-оптичний багатомодовий розгалужувач конфігурації 1xN, виконаний з відрізків оптичного волокна, яке має прозору серцевину з показником заломлення nc і світловідбиваючу оболонку з показником заломлення no, меншим nс, що включає вхідне оптичне волокно і конусоподібну дільницю, сплавлену з N ви хідних волокон, який відрізняє ться тим, що конусоподібна дільниця має біконічне звуження на відстані в 2-3 діаметри серцевини OВ від місця зрощення. (19) (21) 99063485 (22) 22.06.1999 (24) 15.02.2001 (33) UA (46) 15.02.2001, Бюл. № 1, 2001 р. (72) Ніколаєв Євген Якович, Басиладзе Георгій Діомидович, Долгов Олександр Іванович, Сьомов Олександр Євгенович (73) Конструкторське бюро "Домен" при Таврійському національному університеті ім. В.І. Вернадського 34284 оптичного випромінювання по вихідних волокнах розгалужувача. Поставлена задача вирішується тим, що сплавний волоконно-оптичний багатомодовий розгалужувач конфігурації 1xN, виконаний з відрізків оптичного волокна, що має прозору серцевину з показником заломлення nс і світловідбиваючу оболонку з показником заломлення nо, меншим nс, який включає вхідне оптичне волокно і конусоподібну дільницю, сплавлену з N вихідних волокон, згідно з винаходом, на конусоподібній дільниці має біконічне звуження на відстані в 2-3 діаметри серцевини OВ від місця зрощення. Внаслідок дії біконічного звуження на випромінювання, що проходить по ньому, збільшується апертура цього випромінювання, заповнюючи рівномірно числові апертури всіх приймальних OВ в конічній дільниці ОР. На фіг. 1 зображено сплавний перехід між вхідним і вихідними багатомодовими оптичними волокнами. ВР (фіг. 1) складається з вхідного OВ 1, сплавної конусоподібної дільниці 2 з вихідними волокнами і біконічного звуження 3. На фіг. 2 зображено торцеву поверхню розсіченої конусоподібної дільниці ВР. Сплавлені серцевини волокон 4, 5 згруповані всередині кола радіуса R0 (внутрішній радіус спільної оболонки 6 конусоподібної дільниці), R1 - зовнішній радіус спільної оболонки 6. На фіг. 3 зображено теоретичну залежність оптичних втрат a в ВР 1xN від числа волокон N. На фіг. 4 зображено теоретичну залежність оптичних втрат a в ВР 1х2, 1х3, 1х4 і 1х9 від товщини оболонки d . Процес збирання ВР здійснюється таким чином. Кінці вхідного волокна 1 і сплавної конусоподібної дільниці 2 з вихідними волокнами узгоджують по розміру торців і сплавляють в єдину конструкцію. На відстані в 2-3 діаметри серцевини OВ від місця зрощення здійснюють біконічне звуження 3. Нерівномірність оптичного випромінювання по вихідних OВ відстежують в процесі утворення біконічного звуження доти, поки оптичні втрати залишаються в межах заданих параметрів. Розглянемо процес передавання світлового випромінювання в такому розгалужувачі. Нехай випромінювання передається з серцевини одиночного оптичного волокна з перерізом s 0 в серцевини декількох волокон з такими ж серцевинами. Ясно, що необхідно узгодити величини передаючої і приймальних площадок серцевин. Область сплавлення є в цьому випадку узгоджуючим елементом. Від параметрів цього елемента залежать оптичні характеристики розгалужувача. Область сплавлення являє собою конічну дільницю сплавлених світловодів, в якій переріз кожної приймальної площадки sі зменшено в N разів: s i=s 0/N за рахунок звуження всієї області сплавлення. Випромінювання, що виходить з одиночного ОВ, попадає в конічну перехідну дільницю, що розширюється, з декількома приймальними серцевинами. У такому конічному світловоді апертура випромінювання при кожному відбитті зменшується і воно попадає в і-те волокно з перетвореною апертурою. При цьому потужність випромінювання розподіляється між світловодами відповідно до розподілу потужності в перерізі випромінюючого світловода. При реальному розподілі потужності випромінювання по перерізу серцевини світловода, крайні світловоди отримують меншу потужність порівняно з центральними світловодами, оскільки частка потужності випромінювання ближче до осі світловода значно більше, ніж на краях. Чим більше число волокон, тим більше різняться потужності в центральному і крайньому світловодах. У додатково сформованому біконічному переході апертура випромінювання, що увійшло в звуження, збільшується, енергія перерозподіляється між серцевинами волокон, більш рівномірно заповнюючи переріз частини біконічного переходу, що розширюється. За рахунок цього механізму вирівнюються потужності випромінювання у ви хідних волокнах розгалужувача. При попаданні частини випромінювання між серцевинами ОВ, тобто в оболонку, частка цього випромінювання на конічній дільниці, що розширюється, повертається в серцевину за рахунок зменшення апертури випромінювання в шарі оболонки і серцевини, що розширюється. У цьому випадку ступінь розширення оболонки вище, ніж серцевини за рахунок початкової конусності оболонки, отримуваної внаслідок травлення. Випромінювання, що не попало в серцевину, виходить в полімерну оболонку ОВ і поглинається в ній. З зменшенням товщини кварцової оболонки зменшується і частка випромінювання, що попало в неї, а, отже, і частка поглинутого випромінювання в полімерній оболонці ОВ. У цьому випадку зменшуються оптичні втрати. Подальше зменшення товщини оболонки обмежене збільшенням оптичних втрат в ВР за рахунок утворення мікрораковин на межах розділу серцевина-оболонка внаслідок травлення поверхні ОВ. При підключенні джерела випромінювання в протилежному напрямку випромінюючою площадкою буде серцевина і-того волокна з номінальною числовою апертурою. При цьому конічна дільниця обмежує передавану потужність на величину, пропорційну числу волокон N, що сплавляються (або передає в одиночне волокно величину потужності, обернено пропорційну числу волокон N). Звідси видно, що передавати оптичне випромінювання в цьому напрямі не раціонально через значні оптичні втрати. Розглянемо тепер кількісну залежність оптичних втрат від числа волокон і товщини оболонки для планарного укладання кінців ОВ. Нехай з N оптичних волокон із зовнішнім радіусом r1 і радіусом серцевини r0 сплавляється розгалужувач конфігурації 1xN. Розглянемо структуру поперечного перерізу області сплавлення (фіг. 2). Як видно з фіг. 2, при сплавленні, оболонки оптичних волокон утворюють в перерізі кільце 6 із зовнішнім радіусом R1, а серцевини, сплавляючись, групуються всередині кола з радіусом R0. Крайні серцевини приймуть форму сегментів 4, а внутрішні серцевини - форму "зрізаних" сегментів 5. Причому, згруповані серцевини волокон залишаються розділеними матеріалом оболонок товщиною меншою, ніж до сплавлення їх разом на величину, пропорційну квадратному кореню з числа волокон. Більш значної деформації зазнають внутрішні волокна. Тому і товщина оболонок цих волокон менша. У той же час по описаному навколо сплавлених серцевин колу товщина оболонки практично не міня 2 34284 ється. Візьмемо це як ще одне наближення. Тоді загальна площа перерізу сплавлених OВ рівна S1: знаходиться в межах від 0,15 до 0,45 дБ, від 0,2 до 0,48 дБ і від 0,37 до 0,76 дБ, відповідно. Середні значення оптичних втрат 0,29, 0,36 і 0,56 дБ, відповідно. Середні значення неоднорідності коефіцієнта передавання становили 0,39, 0,43 і 0,81 дБ, відповідно. Причому для ВР конфігурації 1х9 вимірювалася величина К, що характеризує нерівномірність розподілу випромінювання між вихідними волокнами, до операції створення додаткового звуження і після звуження. Значення К зменшувалися при цьому від величин, що лежать в діапазоні 1-1,2 дБ до величин 0,5-0,8 дБ. Оптичні втрати визначалися за формулою ΣP a = -10 log i (дБ ), (2) P0 де і - номер вихідного волокна; Pi - потужність випромінювання на виході і-того волокна; Р0 - потужність випромінювання у вхідному волокні. Величина, що характеризує нерівномірність розподілу випромінювання між вихідними волокнами, визначається за формулою P K = 10 log max ( дБ), (3) Pmin де Рmах - потужність випромінювання на виході найбільш випромінюючого волокна; Pmin - потужність випромінювання на виході найменше випромінюючого волокна. Пристрій за винаходом забезпечує зменшення нерівномірності оптичного випромінювання по вихідних волокнах ВР. Джерела інформації 1. Katsuyuki Imoto, Міnоru Maeda, Hiroyuki Kunugiyama, Tsuneo Shiota. New biconically tapered fiber star coupler fabricated by indirect heating method. // Journal of lightwave technology, 1987, v. LT-5, № 5, p. 694-699. 2. Патент 1123642, Канада. МКИ G02B7/26. Multimode optical fiber coupler. Опубл. 18.05.82. 3. Agarwal A.K. Review of optical fiber couplers. // Fiber and integrated optics, 1985, v. 6, № 1, p. 27-53. S1 = p × (R1 )2 , де R1 = r1 × N . Позначимо товщину зовнішньої оболонки області сплавлення N OВ, що містить шарувату серцевину через d , тоді d = R1- R 0 , де R 0 = r1 × N - d, S0 = p(R 0 )2 . Площа шарува тої серцевини сплавлених N OВ рівна: ( ) 2 S0 = p × r1 × N - d . Загальна площа N серцевин початкових волокон, що створюють шарувату сер цевину конічного переходу, рівна Ns0 = Np(r0 )2 . Для оптичного узгодження шаруватої серцевини з серцевиною одиночного волокна площі їх перерізів повинні бути рівні, тобто S0=s 0. Таке узгодження досягається розтягненням усієї конічної дільниці доти, поки радіус його вузької частини не стане приблизно рівним r0. При рівності площ S0 і s 0 сумарні втрати світлової енергії будуть визначатися товщиною прошарків між серцевинами світловодів. За умови однорідності розподілу оптичної потужності випромінювання по перерізу серцевини збуджуючого одиночного волокна втрати, що вносяться прошарками між сплавленими серцевинами в перерізі конічної дільниці, визначаються як a = - 10 × log Ns 0 = - 10 × log S0 N (r0 ) 2 (r × 1 N -d ) 2 ( дБ). (1) Для N=3, 4 і 9 при r0=25 мкм, d =2,5 мкм і r1=r0+ d =27,5 мкм, a 3 =0,36 дБ, a 4 =0,424 дБ, a 9 =0,561 дБ, відповідно (фіг. 3, 4). При проведенні експериментів по сплавленню оптичних розгалужувачів були виготовлені ВР з конфігурацією 1х3, 1х4 і 1х9 з стандартних OВ з діаметрами серцевини і оболонки 50 і 125 мкм, відповідно, числовою апертурою 0,22, серцевина мала градієнтний профіль показника заломлення. Як показали результати вимірювань оптичних характеристик виготовлених зразків ВР (по 10 шт. кожного типу), діапазон значень додаткових втрат Фіг. 1 Фіг. 2 3 34284 Фіг. 3 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4