Направление оптических сигналов с помощью подвижного дифракционного оптического элемента - RU2256203C2
Код документа: RU2256203C2
Чертежи
Описание
Ссылка на связанные заявки
Настоящая заявка связана с заявкой на патент США, поданной тем же числом (номер дела патентного поверенного LUC 2-027), содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки.
Сведения, касающиеся федеральной поддержки исследований
Нет.
Уровень техники
В волоконно-оптической сети информацию в виде электрического сигнала, идущего из источника, преобразуют в оптический сигнал, который затем можно передать по волоконно-оптическому кабелю в место назначения, где этот сигнал вновь преобразуется в электрический сигнал. В современном мире, где используются Интернет, факсимильная связь, множество телефонных линий, модемная связь и телеконференции, на сети связи, которые должны соответствовать непрерывно растущему спросу на объем передаваемой информации, ложится огромная нагрузка. Не зная заранее нагрузки, которая потребуется от волоконно-оптических кабелей, их рассчитывали на относительно узкие рабочие полосы с использованием классических расчетных формул, например Пуассона и Рилинга. Возрастание нагрузок на эти кабели приводит к исчерпанию их пропускной способности и к необходимости использования наборов рабочих диапазонов длин волн. По общим вопросам, относящимся к сетям связи, см. следующую ссылку:
(1) www.webproforum.com/lucent3.
Одним из способов, позволяющих удовлетворить возросшим требованиям на объем передаваемой информации, является прокладка дополнительного оптического кабеля. Однако этот вариант может быть дорогостоящим и обычно используется лишь там, где требуется относительно небольшое увеличение пропускной способности. Другой способ решения этой проблемы называется временным мультиплексированием (Time Division Multiplexing - TDM). Этот способ позволяет повысить скорость передачи данных, измеряемую в битах в секунду (бит/сек). Скорость передачи данных повышают, разделяя время на малые дискретные интервалы, так что в единицу времени (например, в секунду) оказывается возможным передать большее количество битов. Недостатком этого подхода является то, что количество битов, которые можно передать в единицу времени, ограничено частотно-временной характеристикой приемника.
Из-за ограничений, связанных с временным мультиплексированием, был разработан другой способ передачи большего объема данных по существующим волокнам, именуемый спектральным мультиплексированием или мультиплексированием по длинам волн (Wavelength Division Multiplexing - WDM). Спектральное мультиплексирование включает разделение диапазона длин волн выходных сигналов, формируемых передатчиком на лазерных диодах, на множество дискретных интервалов, каждый из которых модулируют отдельно, что увеличивает количество битов, передаваемых в секунду. Когда количество таких разделений диапазона длин волн превышает некоторое число, система называется системой со спектральным мультиплексированием с высокой плотностью (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).
Спектральное мультиплексирование с высокой плотностью повышает объем передаваемых данных путем назначения поступающих оптических сигналов определенным частотам в пределах заданного диапазона частот, мультиплексирования полученных сигналов и передачи результирующего мультиплексированного сигнала по одному оптическому кабелю. Таким образом, сигналы по одному оптическому кабелю передаются в виде группы. Кроме того, разнос между дискретными интервалами уменьшают путем использования временного мультиплексирования вместе со спектральным мультиплексированием с высокой плотностью, что приводит к повышению скорости передачи данных. Затем сигналы демультиплексируют и направляют по отдельным кабелями к местам назначения. Передаваемые по волоконно-оптическому кабелю сигналы могут иметь различные скорости и различные форматы, а количество передаваемой информации ограничивается только скоростью прохождения сигналов и количеством частот или каналов, доступных в данном волокне.
Реализация спектрального мультиплексирования с высокой плотностью оказалась возможной благодаря множеству технических решений. Одним из таких решений было использование сплавных биконических ответвителей, с помощью которых по одному волокну можно посылать более одного сигнала. Результатом этого было увеличение ширины спектрального диапазона для одного волокна. Другим важным техническим решением было использование оптических усилителей. Легирование небольшого участка волоконного кабеля или волокна редкоземельным элементом, обычно эрбием, позволяет усилить оптический сигнал без необходимости его преобразования обратно в электрический сигнал. В настоящее время имеются оптические усилители, которые обеспечивают эффективное и очень равномерное усиление при выходной мощности приблизительно 20 дБм.
Кроме того, свой вклад в увеличение объема передаваемой в сетях связи информации внесло создание узкополосных лазеров. Эти лазеры являются узкополосными стабильными когерентными источниками света, каждый из которых обеспечивает формирование отдельного “канала”. В общем случае одножильный оптический кабель может обеспечить создание от 40 до 80 каналов. Исследователи работают над созданием новых способов увеличения количества каналов в отдельном волокне. Компания Lucent Technology's Bell Laboratories добилась мультиплексирования, или уплотнения, с формированием 300 каналов в пределах участка спектра 80 нм с использованием фемтосекундного лазера, см.: (2) Brown, Chappell, "Optical Interconnects Getting Supercharged," Electronic Engineering Times. May 25,1998; pp. 39-40.
Благодаря большему количеству каналов и соответствующих сигналов, которые можно передать по одному оптическому волокну, мультиплексирование и демультиплексирование становятся еще более важными. Современные способы мультиплексирования и демультиплексирования включают использование тонкопленочных подложек или волоконных брэгговских решеток. В первом случае тонкопленочная подложка покрыта слоем диэлектрического материала. Через такую подложку могут пройти только сигналы заданной длины волны. Все остальные сигналы будут отражаться, см., например, патент США №5457573. При использовании волоконной брэгговской решетки волоконно-оптический кабель модифицируют так, чтобы свет одной длины волны отражался назад, в то время как свет всех других длин волн проходил насквозь. Особенно широко брэгговские решетки используются в мультиплексорах для ввода/вывода каналов. Однако в системах этого типа, когда возрастает количество передаваемых сигналов, соответственно возрастает количество необходимых пленок или решеток для мультиплексирования и демультиплексирования, см. патенты США №5748350 и №4923271. Поэтому продолжается поиск более эффективных и менее затратных способов мультиплексирования и демультиплексирования передаваемых сигналов.
Сущность изобретения
Предлагаются способ и устройство, полезные, в частности, для использования в системах связи, например для коммутации, мультиплексирования и демультиплексирования сигналов. Способ заключается в том, что, прежде всего, направляют источник (10) входного оптического сигнала (сигналов) на подвижный дифракционный оптический элемент (movable diffractive optical element - MDOE). Наиболее эффективным подвижным дифракционным оптическим элементом является поворотный дифракционный оптический элемент (RDOE). Каждый из оптических сигналов характеризуется определенной длиной волны. Далее, обеспечивают наличие одного или более выходного устройства. Наконец, поворотный дифракционный оптический элемент (12) формирует выходной оптический сигнал (сигналы) и распределяет их среди выходных устройств. Соответствующая система для обработки оптических сигналов, поступающих от их источника, включает источник одного или более входных оптических сигналов, каждый из которых соответствует определенной длине волны. Кроме того, имеется подвижный дифракционный оптический элемент, расположенный так, что он перехватывает оптические сигналы и формирует один или более дифрагированный выходной оптический сигнал. И наконец, имеется одно или более выходное устройство, которое принимает один или более дифрагированный выходной оптический сигнал от подвижного дифракционного оптического элемента. В настоящем изобретении “дифракционные оптические элементы” включают в себя дифракционные решетки, обеспечивающие дифракцию света.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сути и целей настоящего изобретения последующее подробное описание приводится со ссылками на сопровождающие чертежи, где:
на фиг.1 схематично представлен поворотный дифракционный оптический элемент, который переключает входные оптические сигналы, испускаемые блоком лазерных диодов, на линзы, которые связаны с оптическими волокнами;
на фиг.2 дано изображение, аналогичное фиг.1, за исключением того, что выходные оптические сигналы переключены на другие пары линз;
на фиг.3 схематично представлено демультиплексирование входных оптических сигналов, идущих из оптического волокна, в четыре различных выходных оптических волокна (количество выходных оптических волокон является иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения) с помощью поворотного дифракционного оптического элемента;
на фиг.4 схематично представлено мультиплексирование четырех входных оптических сигналов, идущих из четырех блоков лазерных диодов, в два оптических волокна (количество входных и выходных сигналов/оптических волокон является иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения) с помощью поворотного дифракционного оптического элемента;
на фиг.5 схематично представлен поворотный дифракционный оптический элемент, переключающий три входных оптических сигнала во все возможные комбинации из трех выходных оптических волокон (количество входных и выходных оптических волокон является иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения);
на фиг.6 показан вид сверху, соответствующий фиг.5;
на фиг.7А показан вид сверху, иллюстрирующий вариант осуществления магнитного отклонения поворотного дифракционного оптического элемента;
на фиг.7В изображен вид сбоку поворотного дифракционного оптического элемента, показанного на фиг.7А, при этом показано соединение магнита и катушки с печатной платой;
на фиг.8 упрощенно показано сечение пластины, несущей четыре опоры, на концах которых расположены дифракционные решетки с различным периодом, предназначенные для отклонения входного оптического сигнала, (количество опор и дифракционных решеток является иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения) и
на фиг.9 упрощенно изображен вид в перспективе пластины, на поверхности которой имеется дифракционная решетка, предназначенная для дифракционного разделения входного сигнала на множество выходных сигналов с разной длиной волны.
Ниже чертежи описаны более подробно.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение предлагает простой и изящный способ распределения оптических сигналов, который может использоваться в различных целях, например для мультиплексирования, демультиплексирования, коммутации или любого другого применения, в котором желательно разделить, объединить или направить оптические сигналы. Использование поворотного дифракционного оптического элемента устраняет потребность в таких оптических устройствах как зеркала, фильтры и тонкие пленки, которые усложняют систему и увеличивают затраты на ее создание пропорционально количеству обрабатываемых оптических сигналов.
На фиг.1 схематично представлен поворотный дифракционный оптический элемент, который переключает входные оптические сигналы, испускаемые блоком лазерных диодов, на линзы, которые связаны с оптическими волокнами. Источник 10 подает один или большее количество входных оптических сигналов, каждый со своей длиной волны (λ) или энергией. Согласно терминологии, принятой в данной области техники, в настоящей заявке термин “длина волны” используется для обозначения одной или большего количества длин волн или диапазона длин волн. Кроме того, везде в настоящей заявке существительное во множественном числе в скобках, стоящее после существительного, обозначающего некоторый элемент в единственном числе, используется для указания на наличие по меньшей мере одного или большего количества этих элементов. Например, термин “оптический сигнал (сигналы)” означает один или большее количество оптических сигналов. Источник 10 на фиг.1 представляет собой блок из лазерных диодов, но может быть любым другим устройством или комбинацией устройств, способных подавать модулированный оптический сигнал (сигналы). Такое устройство или устройства могут включать, например, оптический кабель или волокно. Источник 10 направлен на поверхность поворотного дифракционного оптического элемента 12. Поворотный дифракционный оптический элемент 12 отклоняет входной оптический сигнал (сигналы), идущие из источника 10, под различными углами, согласно уравнению дифракции:
(а) λ=d(sinι+sinδ),
где λ - длина волны дифрагирующего света (мкм);
d - период (шаг) решетки (мкм);
ι - угол падения относительно нормали к пластине (градусы);
δ - угол дифракции относительно нормали к пластине (градусы).
Для фиксированных d и λ вращение поворотного дифракционного оптического элемента меняет ι, в результате чего свет различных длин волн отклоняется под различными углами δ, формируя выходные оптические сигналы. Ниже более подробно обсуждаются конкретные параметры и варианты выполнения поворотного дифракционного оптического элемента 12.
Имеются три выходные устройства 14, 16 и 18, предназначенные для приема дифрагированных выходных оптических сигналов λ1 и λ2, которые обозначены позициями 20 и 22, соответственно. При установке поворотного дифракционного оптического элемента 12 в первое положение, как изображено на фиг.1, выходные устройства 14 и 16 принимают выходные оптические сигналы 20 и 22. На фиг.2 изображен поворотный дифракционный оптический элемент 12, повернутый во второе положение, при этом направление вращения лежит в плоскости, параллельной поворотному дифракционному оптическому элементу 12. В этом втором положении угол, на который отклоняются оптические сигналы вследствие дифракции, изменился, и теперь выходные оптические сигналы поступают в выходные устройства 16 и 18. Таким образом, поворачивая поворотный дифракционный оптический элемент 12, можно переключать оптический сигнал (сигналы) между множеством выходных устройств. Выходные устройства 14, 16 и 18, изображенные на фиг.1 и 2, представляют собой оптические волокна, однако выходное устройство (устройства) может представлять собой любое устройство, способное обнаруживать оптический сигнал (фотоприемник) или передавать его. Система для коммутации света, идущего из источника, между тремя выходными устройствами иллюстрирует простой вариант осуществления способа согласно изобретению. Как будет показано ниже, простота способа облегчает распределение оптических сигналов от источника между множеством выходных устройств. Имеется и обычный блок линз для фокусировки оптического сигнала (сигналов), например, как показано позициями 24, 26 и 28 на фиг.1 и 2. Конструкция, необходимая для построения такого блока, известна специалистам в данной области техники и поэтому здесь не описывается.
На фиг.3 иллюстрируется способ согласно настоящему изобретению в применении к демультиплексированию, когда входной оптический сигнал 10 (сигналы) от источника идет по оптическому волокну 30. Входные оптические сигналы λ1, λ2, λ3 и λ4, передаваемые по волокну 30, направляются в поворотный дифракционный оптический элемент 12, который сохраняет прежнее обозначение. Выходные устройства 32, 34, 36 и 38 предназначены для приема сформированных выходных оптических сигналов λ1, λ2, λ3 и λ4, соответственно, которые обозначены позициями 40, 42, 44 и 46, соответственно. Показано, что поворотный дифракционный оптический элемент 12 может поворачиваться между тремя положениями: 58, 60 и 62. Выходные устройства, т.е. оптические волокна 32, 34, 36 и 38, являются такими же, как и выходное устройство (устройства) на фиг.1, но также могут быть соединены с любым другим устройством, способным обнаруживать или передавать оптический сигнал. Точно так же для фокусировки оптических сигналов имеется блок линз в виде линз 50, 52, 54 и 56. Аналогично, блок 48 линз фокусирует оптический сигнал (сигналы), идущий из волокна 30, на поворотном дифракционном оптическом элементе 12. Конструкция, необходимая для построения такого блока, известна специалистам в данной области техники и поэтому здесь не описывается.
В таблице I иллюстрируется распределение входных оптических сигналов λ1, λ2, λ3 и λ4 между четырьмя выходными устройствами 32, 34, 36 и 38 в зависимости от трех различных угловых положений поворотного дифракционного оптического элемента 12, показанных на фиг.3.
Когда поворотный дифракционный оптический элемент 12 находится в первом положении 58, сигнал λ1 направлен в выходное устройство 34, сигнал λ2 - в выходное устройство 36, а сигнал λ3 - в выходное устройство 38. В устройство 32 не поступает никакого выходного оптического сигнала. Когда поворотный дифракционный оптический элемент 12 находится во втором положении 60, показанном на фиг.3, оптические сигналы λ1, λ2, λ3 и λ4 поступают в выходные устройства 32, 34, 36 и 38, соответственно. Когда поворотный дифракционный оптический элемент 12 находится в третьем положении 62, выходное устройство 32 принимает сигнал λ2, выходное устройство 34 принимает сигнал λ3, а выходное устройство 36 принимает сигнал λ4. В устройство 38 не поступает никакого выходного оптического сигнала. Поворот дифракционного оптического элемента 12 в другие положения приводит к другим комбинациям распределения выходных оптических сигналов между выходными устройствами. Понятно, что количество выходных оптических сигналов и количество выходных устройств, изображенных на чертежах, является просто иллюстративным, поскольку в рамках настоящего изобретения можно использовать большее или меньшее их количество.
На фиг.4 показан другой вариант выполнения настоящего изобретения в традиционном применении, относящемся к мультиплексированию. Источник 10 представляет собой совокупный выходной сигнал четырех блоков 70, 72, 74 и 76 лазерных диодов. Блок линз в виде линз 78, 80, 82, 84 и 86 направляет свет от источника 10 на поверхность поворотного дифракционного оптического элемента 12. Выходные устройства 88 и 90 предназначены для приема дифрагированных выходных оптических сигналов 92 и 94. На предыдущих чертежах (фиг.1-3) каждое выходное устройство принимало единственный выходной оптический сигнал. Однако, как показано на фиг.4, выходные устройства могут принимать множество выходных оптических сигналов. Блок линз, составленный из линз 96 и 98, определяет спектральный диапазон выходных оптических сигналов, который будет направлен в выходные устройства 88 и 90, соответственно. И здесь поворот дифракционного оптического элемента 12 позволяет распределять отклоненные вследствие дифракции выходные оптические сигналы 92 и 94 между линзами 96 и 98.
На фиг.5 представлено трехмерное изображение переключателя, выполненного согласно настоящему изобретению, в котором всевозможные комбинации трех входных оптических сигналов направляются в три выходные линии, причем каждая комбинация соответствует некоторому, отличному от других, положению поворотного дифракционного оптического элемента 12. Источник 10 подает три входных оптических сигнала λ1, λ2 и λ3. Эти оптические сигналы направляются на поворотный дифракционный оптический элемент 12, который расположен ниже источника 10 и параллельно ему. Количество входных сигналов снова выбрано лишь с иллюстративными целями, а не с целью ограничения объема изобретения.
Оптические соединители для приема дифрагированных выходных оптических сигналов пространственно расположены на поверхности полушария 116. Выходные устройства 110, 112 и 114 расположены на линиях равной широты полушария 116. Четыре оптических соединителя расположены вдоль линии широты в каждом выходном устройстве 110, 112 и 114. Сигнал одной длины волны отклоняется вследствие дифракции ко всем оптическим соединителям, расположенным на данной линии широты. Например, выходное устройство 110 с оптическими соединителями 130, 132, 134 и 136 принимает выходной дифрагированный оптический сигнал λ1. Выходное устройство 112 с оптическими соединителями 138, 140, 142 и 144 принимает выходной оптический сигнал λ2. Выходное устройство 114 с оптическими соединителями 146, 148, 150 и 152 принимает выходной оптический сигнал λ3. Длина волны λ3 больше, чем λ2, которая в свою очередь больше, чем λ1.
Хотя здесь показано, что выходные устройства расположены по линиям равной широты для обеспечения эффективности, специалистам понятно, что выходные устройства могут быть расположены на непараллельных широтах, лишь бы расположенные там оптические соединители не пересекались. Кроме того, здесь было показано, что выходное устройство (устройства) расположено на поверхности полушария, однако такая конфигурация также является иллюстративной и не ограничивает объема настоящего изобретения. Расположение выходного устройства (устройств) относительно поворотного дифракционного оптического элемента может соответствовать любой желательной конфигурации.
Все оптические соединители выходных устройств соединены с выходным оптическим волокном или кабелем с помощью обычного сумматора (не показан) оптических сигналов. Если имеется n выходных волокон, должно быть n сумматоров, т.е. по одному на каждое выходное устройство. В примере, показанном на фиг.5, n=3. Например, сумматор соединяет оптические соединители 130, 132, 134 и 136 выходного устройства 110 с первым оптическим волокном. Другой сумматор соединяет соединители 138, 140, 142 и 144 со вторым оптическим волокном. И наконец, соединители 146, 148, 150 и 152 объединены вместе и соединены с третьим оптическим волокном.
На фиг.6 показан вид сверху на оптические соединители, изображенные на фиг.5. Элементы на фиг.6 обозначены теми же позициями, что и на фиг.5. Поворотный дифракционный оптический элемент 12 может быть повернут в восемь положений, обозначенных позициями 154, 156, 158, 160, 162, 164, 166 и 168. В каждом положении сигналы с разными длинами волн будут отклоняться к оптическим соединителям, расположенным по линиям равной долготы (сфера 116, фиг.5). Отметим, что ось вращения поворотного дифракционного оптического элемента 12 перпендикулярна плоскости дифракционной решетки. Когда поворотный дифракционный оптический элемент 12 находится в положении 154, выходные оптические сигналы не поступают ни в какой оптический соединитель. В положении 156 выходной оптический сигнал λ3 будет принят выходным устройством 114. В выходные устройства 110 и 112 сигналы не поступят. Если поворотный дифракционный оптический элемент 12 находится в третьем положении 158, выходной оптический сигнал λ1 поступит в выходное устройство 110 через оптический соединитель 134, а в выходные устройства 112 и 114 оптические сигналы не поступят, и так далее для всех 8 положений.
В таблице II показаны комбинации оптических сигналов для каждого из этих восьми положений поворотного дифракционного оптического элемента 12.
При направлении n входных оптических сигналов из источника 10 в n выходных устройств для реализации всех возможных комбинаций из n сигналов должно иметься n·2n оптических соединителей. Каждый из n сумматоров осуществляет 2n-1 оптических соединений. Разрешающая способность поворотного дифракционного оптического элемента 12, т.е. число его угловых положений, должно быть 360°/2n.
При применении системы, изображенной на фиг.5, для мультиплексирования сумматоры использовались бы для объединения сигналов, идущих с выхода оптических соединителей, в каждом из этих восьми положений. Например, один сумматор объединял бы оптические соединители 132, 144 и 150. Таким образом, в оптическое волокно поступили бы оптические сигналы λ1, λ2 и λ3. Другой сумматор объединял бы оптические соединители 130 и 138. При этом оптические сигналы λ1 и λ2 поступали бы в другие оптические волокна и т.д. В приложении, относящемся к мультиплексированию, необходимое количество сумматоров равно 2n.
Таким образом, настоящее изобретение включает направление выходного оптического сигнала (сигналов) в одно или несколько выходных устройств посредством изменения эффективного периода (шага) дифракционного оптического элемента путем его поворота. В одном варианте выполнения настоящего изобретения поворотный дифракционный оптический элемент 12 включает дифракционную решетку на тонкой пленке, связанную с источником энергии для перемещения этой пленки. Такое перемещение изменяет эффективный шаг дифракционной решетки на пленке. Дифракционная решетка или голограмма для формирования такой решетки могут быть выполнены тиснением на тонкой пленке. Пленка может быть поливинилиденфторидной или любой другой пьезоэлектрической пленкой, которая под воздействием электрического поля слегка деформируется. Дифракционную решетку или голограмму, вытисненную на тонкой пленке, поворачивают относительно точки поворота, расположенной в любом месте на тонкой пленке. Эта точка может быть расположена, например, на любом из ее концов или в центре тяжести. Источник энергии для перемещения тонкой пленки может иметь любую электромагнитную конструкцию. Одна из таких конструкций включает комбинацию катушки, в которую может подаваться ток, или нескольких катушек, и тонкой пленки, причем вся эта конструкция может поворачиваться относительно центра. Ниже пленки или по ее сторонам располагают магниты, так что когда через катушки течет ток, создается магнитный поток, и пленка с дифракционной решеткой поворачивается относительно оси вращения. Такие конструкции подробно описаны в патенте США №5613022, который включен в настоящее описание путем ссылки.
На фиг.7А показан вид сверху одного из вариантов выполнения поворотного дифракционного оптического элемента 12 с усовершенствованной конструкцией подвижного магнита. Имеется голографическая дифракционная решетка 182. Дифракционная решетка 182 прикреплена к магнитному элементу, который представляет собой постоянный магнит (184 на фиг.7В). Дифракционная решетка 182 может быть физически прикреплена к магниту 184, или, альтернативно, дифракционная решетка 182 и магнит 184 могут быть порознь прикреплены к дополнительному элементу для их соединения. Магнит 184 лежит на оси 186, которая выполнена из ферромагнитного материала и поэтому притягивает магнит 184 и удерживает его на месте, допуская повороты относительно этой оси 186. Рядом с осью 186, или являясь ее частью, или в соединении с ней, расположен токонесущий провод 188, который соединен с полевым транзистором 190. По существу, магнит 184 и катушка 188 находятся в магнитном взаимодействии друг с другом.
Когда по проводу 188 протекает ток, создается магнитное поле, которое действует на магнит 184. Поскольку магнит 184 не закреплен неподвижно, сила, создаваемая током в проводе 188, заставляет магнит 184 и связанную с ним дифракционную решетку 182 поворачиваться относительно оси 186. Направление поворота магнита 184 и связанной с ним дифракционной решетки относительно шарнира 186 зависит от направления магнитного поля, создаваемого магнитом 184, и направления тока, текущего по проводу 188. Изменение направления тока в проводе 188 меняет направление создаваемой силы, что заставляет магнит поворачиваться в противоположном направлении. Для предотвращения воздействия полей, создаваемых внешними источниками, имеется электромагнитный экран 192. Этот экран может быть выполнен, например, из стали SAE 1010. Как понятно специалистам в данной области техники, возможны альтернативные конструкции пары, состоящей из магнита 184 и катушки 188, предназначенной для перемещения магнита. Несколько иллюстративных конфигураций подробно описаны ниже.
Ограничители 194 и 196 предотвращают поворот магнита 184 за желаемые пределы. Чтобы показать ограничитель 194, часть магнита 184 на чертеже вырезана. Ограничитель 194 может включать емкостной зонд или датчик (не показан), например, содержащий алюминированный майлар (Mylar®), который расположен ниже магнита 184 и указывает на положение магнита 184. Когда магнит перемещается в желаемое положение, он удерживается на месте магнитными полями, окружающими ферромагнитные штыри 198 и 200. Благодаря наличию этих штырей магнит 184 можно удерживать на месте при малом токе через провод 188 или вообще при отсутствии тока.
На фиг.7В показан вид сбоку поворотного дифракционного оптического элемента, изображенного на фиг.7А, демонстрирующий соединение вышеописанных элементов с печатной платой. Сохранены обозначения, приведенные на фиг.1. Печатная плата 202 имеет заземленную плоскость 204 и шину 206 положительного напряжения. Полевой транзистор 190 последовательно соединен с проводником 188, заземляющим соединителем 208 и соединителем 210 положительного напряжения (фиг.1), которые соединены с заземленной плоскостью 204 и шиной 206 положительного напряжения, соответственно. Аналогично, емкостной датчик, расположенный на ограничителе 194, соединен с заземляющей плоскостью 204 в точке 211 и с шиной 206 положительного напряжения в точке 212. Соединение элементов с печатной платой является иллюстративным и не ограничивает объем настоящего изобретения, поскольку специалистам в данной области техники понятно, что можно использовать и другие схемы.
В дополнение к поворотному дифракционному оптическому элементу, включающему управляемые пленки или поворотные магниты или катушки, настоящее изобретение может быть реализовано с использованием одного из множества вариантов выполнения поворотного дифракционного оптического элемента 12 с плоскостным вращением. В каждом из таких вариантов выполнения изобретения на поворотном дифракционном оптическом элементе может быть сформирована матрица фасеток путем использования одной дифракционной решетки с постоянным периодом или матрицы дифракционных решеток, каждая из которых может иметь свой, отличный от других, период, причем каждый элемент дифракционной решетки матрицы может быть расположен в непосредственной близости от других или на расстоянии от них, или же можно использовать матрицу голографических дифракционных решеток, где фасетки матрицы наложены друг на друга. При использовании одной дифракционной решетки каждая фасетка соответствует некоторому угловому положению элемента, что создает для наблюдателя матрицу фасеток. Если каждая фасетка матрицы представляет собой отдельную дифракционную решетку, фасетки могут быть расположены вдоль или поперек поворотного дифракционного оптического элемента 12 неравномерно или равномерно, однако местоположение каждой фасетки внутри матрицы известно; например, оно может храниться в памяти микропроцессора. Поскольку положение каждой фасетки в матрице известно, поворотный дифракционный оптический элемент можно повернуть так, что входной сигнал (сигналы) попадет в выбранную фасетку (фасетки). Таким образом формируют желаемый выходной сигнал (сигналы) и направляют их в выходное устройство (устройства).
На фиг.8 изображен первый вариант выполнения поворотного дифракционного оптического элемента 12 с плоскостным вращением. Опоры 222a-222d выступают из внешнего края подвижной пластины 220. Для облегчения перемещения пластину 220 можно сделать по существу плоской и круглой. Фасетка в виде дифракционной решетки со непостоянным или постоянным периодом, например, сформированная с помощью фоторезиста (голографическая дифракционная решетка), установлена на внешнем торце каждой опоры 222a-222d. Каждая фасетка обеспечивает дифракцию длин волн под разными углами. Когда свет 228 от оптического источника проецируется на пластину 220, он падает на опору 222d в соответствии с положением пластины 220, как показано на фиг.8, и свет 228 от источника дифрагирует в соответствии с периодом решетки, установленной на конце опоры 222d. Путем соответствующего поворота пластины 220, опоры 222с, 222b или 222а можно позиционировать так, чтобы перехватывать свет из источника 228 для дифрагирования различных уровней энергии, также в соответствии с периодами соответствующих дифракционных решеток. Понятно, что поворотная пластина 220 может быть использована вместо поворотного дифракционного оптического элемента 12, показанного на фиг.7.
Перемещение пластины 220 может происходить по меньшей мере двумя различными способами. Пластина 220 может быть прикреплена в центре 218 к шпинделю шагового двигателя (не показан), который легко может быть выполнен с разрешением 0,1' для поворота пластины 220 относительно оси 218 и приведения каждой из опор 222a-222d в такое положение, в котором обеспечивается перехват света 228 от источника. Кроме того, для поворота пластины 220 относительно оси 218, к этой пластине может быть шарнирно прикреплен линейный исполнительный механизм. Альтернативно, на пластине 220 могут иметься магниты, которые взаимодействуют с катушками 224a-224d, на которые может подаваться напряжение, также для поворота пластины 220 относительно центра 218. Альтернативно, на пластине 220 могут находиться катушки, а один или несколько постоянных магнитов можно установить вместо катушек, показанных на фиг.8. Альтернативно, поворот пластины 220 можно осуществить с использованием электростатических сил. Специалистам в данной области техники понятно, что для поворота пластины 220 можно использовать комбинацию этих способов привода, а также другие способы привода.
На фиг.9 показан другой вариант выполнения поворотного дифракционного оптического элемента 12. Позицией 230 обозначена пластина, в целом подобная показанной на фиг.8. Пластина 230 имеет внешний край 232 и торцевую поверхность 234. В этом варианте выполнения изобретения матрица фасеток расположена на торцевой поверхности 234, а не на внешнем краю 232, как было показано ранее. Вместо использования опор, на каждой из которых имеется дифракционная решетка с уникальным периодом, матрицу фасеток можно разместить на поверхности пластины 230. В простейшей конфигурации пластина 230 может содержать одну дифракционную решетку 236 с постоянным периодом. При повороте пластины 230 в направлении глаза 242 отклоняются вследствие дифракции разные сигналы, причем каждое угловое положение поворотного дифракционного оптического элемента 12 представляет некоторую фасетку. Таким образом, число фасеток в матрице определяется числом (или множеством) положений, которые может принимать поворотный дифракционный оптический элемент 12. Альтернативно, на поверхности пластины 230 можно разместить множество дифракционных решеток (с одинаковым или разным периодом) для формирования матрицы фасеток поворотного дифракционного оптического элемента 12, причем каждый элемент дифракционной решетки в матрице может быть расположен в непосредственной близости от другого элемента или они могут быть пространственно разнесены. Таким образом, когда пластина 230 поворачивается вокруг своей оси, например оси 238, свет оптического источника 240 будет дифрагировать под разными углами относительно глаза 242, в зависимости от положения пластины и конкретной фасетки или от периода решетки, которая освещена. Изменение эффективного периода дифракционной решетки 236 проще всего обеспечить с помощью описанной выше голографической дифракционной решетки. Путем поворота пластины 230 с решеткой 236 один входной сигнал можно разделить на множество выходных длин волн, причем число выходных длин волн соответствует числу изменений периода решетки вдоль пластины. На фиг.9 показано, что пластина 230 является круглой, однако могут быть выбраны пластины другой формы. Специалистам в данной области техники понятно, что форма пластины может быть выбрана так, чтобы максимизировать количество областей с изменяющимся периодом решетки и количество результирующих выходных сигналов. Поворот пластины 230 можно выполнить с использованием электростатических устройств, линейного исполнительного механизма или шагового двигателя, как описано ранее в связи с фиг.8.
Предпочтительно, чтобы матрица фасеток была сформирована на поверхности пластины 230 с использованием матрицы голографических дифракционных решеток, где матрица фасеток является наложенной, причем каждая фасетка имеет угловое или пространственное смещение относительно других. Таким образом формируется такая голографическая пленка, что при определенном положении пластины 230 относительно источника формируется и направляется в выбранное выходное устройство определенный выходной сигнал. Например, если пластина 230 повернута на 2° относительно исходного положения 0°, падающий свет с длиной волны λ1 дифрагирует и формирует выходной сигнал, направленный в первое выходное устройство. Если повернуть пластину 230 в другое положение, например на 9° относительно исходного положения, входной сигнал λ1 дифрагирует и формирует выходной сигнал, направленный во второе выходное устройство. Для каждого положения поворотного дифракционного оптического элемента множество фасеток могут быть одновременно освещены множеством входных сигналов для направления выходных сигналов в множество выходных устройств. Поворот пластины 230 может быть осуществлен так, как описано выше. При использовании любого из этих подходов, основанных на вращении, количество выходных сигналов, которые могут быть сформированы поворотным дифракционным оптическим элементом 12, ограничено количеством положений, в которые может быть повернут поворотный дифракционный оптический элемент.
Хотя выше было описано использование поворотного дифракционного оптического элемента, для перемещения дифракционной решетки в координатах x-y-z можно использовать любой подвижный дифракционный оптический элемент. Однако с точки зрения эффективности поворотный дифракционный оптический элемент является предпочтительным.
Все упомянутые выше документы включены в настоящее описание путем ссылки.
Реферат
Варианты способов и устройство предназначены для систем связи, например для коммутации, мультиплексирования и демультиплексирования. Источник (70, 72, 74, 76) входных оптических сигналов (10) направляют на подвижный дифракционный оптический элемент (12). Каждый оптический сигнал характеризуется своей длиной волны. Подвижный дифракционный оптический элемент формирует выходные оптические сигналы (92, 94) и распределяет их между выходными устройствами (88, 90). Технический результат – создание более эффективных и менее затратных способов мультиплексирования и демультиплексирования передаваемых сигналов. 3 н. и 36 з.п. ф-лы, 10 ил.
