Акустооптический перестраиваемый фильтр - RU2182347C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к интегральной и волоконной оптике и может быть использовано в качестве перестраиваемого фильтра для частотного уплотнения сигналов в волоконно-оптических системах связи, малогабаритного перестраиваемого оптического спектрометра.

Известно устройство - интегральный акустооптический перестраиваемый фильтр с изменяемой связью (Arjuin Kar-Roy and Chen S. Tsai. Integrated acoustooptic tunable filters using weighted coupling, IEEE J. Quantum Electronics, 1994, vol. 30, No 7, pp. 1574-1586), в котором фильтрация заданной длины волны оптического спектра осуществляется за счет акустооптического (АО) преобразования на поверхностной акустической волне (ПАВ) направляемых оптических мод разной поляризации, распространяющихся в полосковом оптическом волноводе коллинеарно с ПАВ. Перестройка отфильтрованной длины волны света осуществляется за счет изменения частоты ПАВ, которую выбирают исходя из выполнения условий фазового синхронизма между взаимодействующими волнами. Разделение падающей и продифрагированной на ПАВ оптических мод осуществляется за счет скрещенного поляризатора, пропускающего только одну из волн заданной поляризации. За счет дополнительного взвешивания коэффициента связи взаимодействующих волн вдоль направления их распространения удается понизить до уровня -21,4 дБ уровень боковых лепестков полосы пропускания фильтра. Можно показать, что ширина линии полосы пропускания коллинеарного акустооптического перестраиваемого фильтра задается выражением:
Δλ_1/2 = A•λ/ΔNL, (1)
где A - численный коэффициент порядка единицы, зависящий от конструкции фильтра, Δλ_1/2- ширина полосы пропускания по уровню 0, 5 или -3 дБ, λ₀- длина волны излучения, ΔN - разность эффективных показателей для волн разной поляризации, L - длина области взаимодействия. Например, в полосковом волноводе на ниобате лития на длине области взаимодействия 0,6 см ширина полосы пропускания по уровню 0,5 составляет 4 нм на длине волны 1,31 мкм.

Недостатком данного устройства является недостаточно узкая ширина линии полосы пропускания, которая ограничена величиной оптической анизотропии и длиной области взаимодействия и не может быть уменьшена без существенного увеличения размера устройства.

Известно устройство - акустооптический перестраиваемый фильтр на основе изотропной дифракции с использованием решетки фазированных преобразователей (I-Cheng Chang. Acousto-optic tunable filter based on isotropic acousto-optic diffraction using phased array transducers, United States Patent No 5,909,304 (June 1, 1999)), в котором фильтрация заданной длины волны оптического спектра осуществляется акустооптической ячейкой за счет неколлинеарной дифракции на ПАВ, направляемых оптических мод одной поляризации, распространяющихся в планарном оптическом волноводе. Разделение падающей и продифрагированной на ПАВ оптических мод осуществляется с помощью селектирующего элемента, состоящего из двух линз, которые осуществляют Фурье-преобразование и пространственно выделяют продифрагированный пучок на заданной длине волны света. Перестройка полосы пропускания акустооптического фильтра осуществляется путем изменения частоты ПАВ, распространяющейся в акустооптической ячейке. Спектральное разрешение устройства зависит от апертуры оптического пучка, который создается с помощью формирующего элемента, состоящего из двух волноводных линз. Использование в акустооптической ячейке решетки фазированных преобразователей для возбуждения ПАВ позволяет расширить полосу акустооптического взаимодействия и, следовательно, увеличить область перестройки длины волны света. Однако устройство работает также с акустооптической ячейкой, содержащей всего один встречно-штыревой преобразователь (ВШП) для возбуждения ПАВ.

Недостатком данного устройства является недостаточно узкая ширина линии полосы пропускания, которая ограничена величиной апертуры оптического пучка в области взаимодействия с ПАВ, которая не может быть увеличена без существенного увеличения размера устройства.

Техническим результатом изобретения является создание акустооптического перестраиваемого фильтра, который бы одновременно имел минимальные размеры и узкую линию полосы пропускания.

Технический результат достигается тем, что в акустооптическом перестраиваемом фильтре, содержащем планарный оптический волновод с акустооптической ячейкой и элементы, формирующие и/или селектирующие оптические пучки, указанные элементы, формирующие и/или селектирующие оптические пучки, выполнены в планарном оптическом волноводе или рядом с ним в виде двух полосковых оптических волноводов и набора элементарных отражателей, перекрывающих апертуру соответствующих полосковых оптических волноводов, по которым проходят падающий и выходящий световые пучки соответственно. Причем угол наклона элементарных отражателей формирующего элемента выбирают из условия, что зеркально-отраженные световые пучки направлены под углом Брэгга для падающей световой волны; угол наклона элементарных отражателей селектирующего элемента выбирают из условия, что зеркально-отраженные световые пучки, выходящие из полоскового волновода, направлены под углом Брэгга для дифрагированной световой волны акустооптической ячейки. Чтобы обеспечить прохождение через выходящий полосковый волновод только отклоненного продифрагировоннаго пучка, относительный угол наклона зеркально-отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов выбирают больше угла дифракционной расходимости световых пучков, отраженных от элементарных отражателей. Положение элементарных отражателей выбирают из условия, что на центральной длине волны оптического излучения перестраиваемого фильтра направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей соответственно совпадают с направлениями, задаваемыми зеркально отраженными пучками, переходящими из полосковых оптических волноводов в планарный оптический волновод.

Кроме того, дополнительные технические результаты достигаются тогда, когда с целью лучшего подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели выбирают с изменяемыми коэффициентами отражения, величину которых уменьшают к началу и концу формирующего и/или селектирующего элемента, а с целью расширения полосы задержки сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели формирующего и/или селектирующего элементов смещают относительно периодического расположения псевдослучайным образом на величину, кратную центральной длине волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра, поделенной на эффективный показатель преломления соответствующего полоскового оптического волновода.

Работа акустооптического перестраиваемого фильтра поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана принципиальная схема акустооптического перестраиваемого фильтра, где 1 - планарный оптический волновод, 2 - полосковый оптический волновод формирующего элемента, 3 - элементарный отражатель формирующего элемента, 4 - вход акустооптического перестраиваемого фильтра, по которому вводится в полосковый волновод оптическое излучение, 5 - выход акустооптического перестраиваемого фильтра, 6 - акустооптическая ячейка, 7 - встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ, 8 - ПАВ, 9 - полосковый оптический волновод селектирующего элемента, 10 - элементарный отражатель селектирующего элемента, 11 - оптические пучки, отраженные от элементарных отражателей.

На фиг. 2 представлен угловой спектр формирующего оптического элемента, рассчитанного на длину волны λ₀ = 1,54 мкм.

На фиг.3 представлены угловые спектры формирующего оптического элемента на разных длинах волн света для m_λ =10, где 12 - график функции u₀²(p), спектры на разных длинах волн: 13- λ₀=1,50 мкм, 14- λ₀ =1,54 мкм, 15- λ₀=1,55 мкм, 16- λ₀=1,60 мкм.

На фиг.4 представлены расчеты прямого прохождения сигнала I(λ₀). Кривая 17 соответствует случаю θ₀=0, а кривая 18 соответствует случаю θ₀=0,1.

На фиг. 5 представлены расчеты пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра на разных длинах волн ПАВ для m_λ=10, где 19- Λ =12 мкм, 20- Λ =10 мкм, 21- Λ =8 мкм, 22- Λ =7 мкм, 23- Λ =6 мкм, 24- Λ =5 мкм.

На фиг.6 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для m_λ=10, где 25 - случай постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, 26 - случай изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей.

На фиг.7 представлены расчет весовых функций или коэффициента трансформации поля оптической направляемой моды из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод в зависимости от номера элементарного отражателя. Здесь 27 - случай постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, 28 - случай изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, 29 - изменение величины поля направляемой оптической моды полоскового оптического волновода по мере ее прохождения через элементарные отражатели с изменяемым коэффициентом отражения.

На фиг. 8 представлено изменение коэффициента отражения от элементарных отражателей, которое обеспечивает заданный вид весовой функции 28 на фиг.7.

На фиг.9 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для m_λ=11 (кривые 30 и 31) и m_λ=10 (кривые 32 и 33). Кривые 30 и 32 соответствуют случаю постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, которые расположены строго периодически с периодом 7 мкм. Кривые 31 и 33 соответствуют случаю изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, которые расположены псевдослучайным образом.

Конструктивно устройство выполнено следующим образом (см. фиг.1). На поверхности твердого тела либо под ней (случай так называемого заглубленного волновода) изготавливается тонкий слой толщиной несколько микрон с показателем преломления выше показателя преломления окружающих сред (подложки и окружающего верхнего слоя, в данном случае воздуха). Такой слой является планарным оптическим волноводом (1), т.е. световой пучок может распространяться внутри данного слоя с очень низкими потерями (меньше 1 дБ/см). Количество направляемых (волноводных) волн (мод), которые поддерживает данная структура, и пространственное распределение оптических мод определяются профилем изменения показателя преломления по глубине.

В планарном оптическом волноводе или рядом с ним выполнены полосковые оптические волноводы (2) и (9). Полосковый оптический волновод имеет увеличенное значение показателя преломления не только вглубь, но и поперек структуры. Поэтому он может поддерживать распространение узкого и не расходящегося оптического пучка вдоль его оси в области с увеличенным значением показателя преломления. Полосковый волновод представляет собой локальную область на либо под поверхностью твердого тела в виде тонкой полоски шириной от нескольких единиц до десятков микрон, с показателем преломления выше показателя преломления окружающей его среды. Волноводы могут быть изготовлены путем диффузии металлов, протонным обменом из расплавов солей, распылением веществ с более высоким показателем преломления, чем у подложки, эпитаксией из газовой или жидкой фазы и т.д. Через полированный торец в полосковый оптический волновод формирующего элемента вводится через вход (4) оптический пучок, который может содержать разные длины волн оптического спектра.

В области, которую занимают полосковые оптический волноводы (2) и (9), изготовлен набор наклонных элементарных линейных отражателей (3) и (10), которые перекрывают апертуру полосковых оптических волноводов (2) и (9) формирующего и селектирующего оптических элементов соответственно. Световой пучок проходит через формирующий оптический элемент и переходит в планарный оптический волновод в виде когерентных световых пучков (11), которые формируют слаборасходящийся расширенный выходной пучок. Далее оптический пучок проходит через акустооптическую ячейку (6), которая может содержать один или несколько фазированных встречно-штрыревых преобразователей (7) (ВШП) для возбуждения ПАВ (8). Часть расширенного пучка на длине волны света, которая удовлетворяет условиям брэгговского синхронизма, дифрагирует на ПАВ и меняет направление распространения. Далее продифрагированный оптический пучок проходит из планарного оптического волновода (1) в полосковый оптический волновод (9) селектирующего элемента и выходит через выход (5) полированного торца устройства.

Угол отклонения продифрагированного пучка θ зависит от длины волны излучения и частоты ПАВ (f)

где Λ - длина волны ПАВ, Λ = ν/f, ν и f - скорость и частота ПАВ, N₁, N₂, θ₁ и θ₂- эффективные показатели преломления и брэгговские углы для падающей (1) и дифрагированной (2) волн соответственно. Уравнение (2) получено стандартным способом, из условия выполнения фазового синхронизма (брэгговские условия) для трех взаимодействующих волн (двух оптических и одной акустической). Углы Брэгга отсчитываются от фазового фронта акустической волны. Для простоты рассмотрим случай изотропной дифракции (без изменения типа волны) и положим N=N₁=N₂, тогда имеем:
θ = 2•θ_Б, (3)
где θ_Б = arcsin(λ₀/(2λ•N),
Угол наклона элементарных отражателей формирующего элемента выбирают из условия, что зеркально отраженные пучки удовлетворяют условиям брэгговского синхронизма для падающей волны. Угол наклона элементарных отражателей селектирующего элемента выбирают из условия, что зеркально отраженные пучки удовлетворяют условиям брэгговского синхронизма для дифрагированной волны.

Кроме того, чтобы обеспечить прохождения через выходящий полосковый волновод только отклоненного продифрагированного пучка, относительный угол наклона зеркально-отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов (θ₀= θ₁+ θ₂ ) выбирают больше угла дифракционной расходимости (Δθ ≈ λ₀/(Nω₀)) световых пучков, отраженных от элементарных отражателей. Здесь ω₀- эффективная ширина полоскового волновода. Геометрически это соответствует случаю, когда в планарном оптическом волноводе между зеркально отраженными пучками, которые вошли в полосковые оптические волноводы (2) и (9) через полированные торцы (4) и (5), образован угол 180^o- θ₀.
Положение элементарных отражателей выбирают из условия совпадения (на заданной длине волны оптического излучения) направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей с направлением, задаваемым зеркально отраженными пучками, переходящими из соответствующих полосковых оптических волноводов в планарный оптический волновод.

Варьируя положение, коэффициент отражения R и число отражателей М, можно изменять как угловую ширину выходящего пучка, так и уровень боковых лепестков и полосу задержки сигналов вне полосы пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра. Отражатели могут представлять собой локальные области в виде узких (порядка 1 мкм) полосок с измененными оптическими свойствами, например, из-за протонного обмена, ионной имплантации и т.д., а также канавки или ступеньки (высотой порядка 1÷100 нм) из того же или иного материала на поверхности оптического волновода. Коэффициент отражения элементарного отражателя обычно составляет 0,01÷0,0001 и может контролироваться путем оптимального выбора технологии изготовления и геометрии отражателя. Количество отражателей должно быть достаточно велико (обычно произведение R•M больше 1, т.е. М порядка 100÷1000), чтобы обеспечить хорошие коллимирующие свойства (узкую направленность и высокое подавление боковых лепестков в угловом пространстве) и высокую эффективность преобразования из узкого пучка в широкий пучок и обратно. Расстояние между элементарными отражателями обычно сравнимо с шириной оптического волновода (порядка 5÷50 мкм).

Работа устройства осуществляется следующим образом. Узкий оптический пучок вводится в полосковый оптический волновод (2) формирующего элемента и на каждом из элементарных отражателей делится на два пучка. Один (значительно меньший по интенсивности) отражается и переходит из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод, а другой (чуть меньший по интенсивности, чем падающий) проходит по полосковому оптическому волноводу до следующего элементарного отражателя, на котором снова делится на два пучка, и т.д. Все отраженные пучки когерентно суммируются с учетом оптического сдвига фаз, обусловленного задержкой светового пучка на промежутке между соседними отражателями. Результирующий световой пучок имеет широкую апертуру (в десятки и сотни больше входной) и низкую расходимость выходящего оптического излучения, обусловленную постоянностью фазового фронта оптической волны поперек полоскового волновода, а также строго заданным наклоном и положением большого количества элементарных отражателей.

Угловой спектр U(p), излучаемый формирующим элементом в плоскости волновода, может быть представлен в виде спектра фазовой дифракционной решетки, который описывается стандартным образом. Без ограничения общности поперечное распределение электрического поля направляемой (волноводной) моды можно описать как exp(-(y/w₀)²), где w₀ - эффективная ширина полоскового волновода, у - поперечная координата (в плоскости планарного волновода). Каждый рефлектор имеет двойную ширину 2•w и описывается коэффициентом отражения R_m и сдвигом фаз kx_m, где x_m -координата m-го рефлектора. Пусть рефлекторы располагаются строго периодически с шагом d.

x_m=d•m, m=1,2,3,....М. (4)
Тогда U(p) может быть получено в виде:

где r_m=(R_m)^1/2, t_m=(T_m)^1/2, T_m=1-b•R_m, С - нормировочная константа, которую определяют из условия, что энергия всех спектральных составляющих равнялась оттоку энергии из полоскового волновода на всех элементарных отражателях, Ψ_m- весовая функция или коэффициент трансформации поля оптической направляемой моды из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод на m-м элементарном отражателе, r_m и R_m - коэффициенты отражения на m-м элементарном отражателе по амплитуде и интенсивности, t_m и Т_m - коэффициенты прохождения m-гo элементарного отражателя по амплитуде и интенсивности, р - синус угла наблюдения, измеренный относительно оси, соответствующей направлению на зеркальное отражение от элементарного отражателя, u₀(р) - угловой спектр, излучаемый элементарным рефлектором, b - коэффициент, учитывающий потери энергии при отражении, например, из-за трансформации в другие типы волн (другой поляризации, моды излучения и т.д.). Можно показать, что для Ψ_m справедлива рекуррентная формула ψ = Ψ•(1-R_m-1 )•R_m/R_m-1, которая позволяет находить взаимосвязь между Ψ и R_m.

Сначала рассмотрим случай с постоянным коэффициентом отражения (R=R_m) и для простоты положим, что отношение w/w₀ много больше единицы. Тогда можно получить
u₀(p) = C•w₀(π)^1/2exp(-(kwp/2)²), (7)

Угловое распределение интенсивности расширенного пучка имеет вид

Излучаемый спектр формирующего элемента пучка при λ₀=1,54 мкм показан на фиг.2. Он представляет собой очень узкий пик шириной:
Δp = λ₀/(N•d•M) (10)
На фиг.2 ширина пика имеет величину порядка 0,0001 радиана. При расчете считалось, что N=2,2, элементарные отражатели имеют постоянный коэффициент отражения R= 0,002 и располагаются строго периодически с периодом d=7 мкм, число отражателей М= 1000, общая длина структуры отражателей d•M=0,7 cm, эффективная ширина полоскового оптического волновода w₀=10 мкм.

Появление данного узкого углового спектра можно проиллюстрировать на основе уравнения (9), которое содержит два сомножителя. Первый из них, равный u₀²(p), описывает угловой спектр ограниченного источника света, сформированного при частичном отражении направляемой моды полоскового оптического волновода. Спектр имеет широкое угловое распределение порядка 0,04 радиана с максимумом, соответствующим зеркально отраженному пучку (р=0). Второй сомножитель описывает узкий линейчатый спектр с угловой расходимостью (Δp) порядка 0,0001 радиана (см. фиг.2) и описывает результат интерференции от различных элементарных отражателей. Положение максимумов линейчатого спектра определяется выражением:
kd(1-p)/2 = πm_λ, (11)
где m_λ- порядок интерференции (целое число). Истинный угловой спектр (см. фиг. 2) есть произведение этих двух функций. Поэтому благодаря первому сомножителю из всего линейчатого спектра выживает только набор одна линия (см. фиг.2), соответствующая такому порядку интерференции (m_λ), для которого направления распространения очень близко к зеркальному отражению (р=0) от элементарных отражателей. Для нашего случая m_λ=10 при λ₀=1,54 мкм.

Таким образом, расположение отражателей выбирается согласно уравнению (11) при р=0. Оно соответствует условию, что на заданной длине волны оптического излучения направление распространения одного из порядков интерференции (m_λ) и зеркально отраженных пучков совпадают с точностью до угловой расходимости (Δp), выходящего из устройства расширенного оптического пучка.

Причем согласно (11) диаграмма направленности расширенного пучка смещается как целое (сканирует) при изменении длины волны света согласно:
p = (λ_m- λ )/λ_m, (12)
где λ_m = d•N/m_λ, Угловой спектр, излучаемый формирующим элементом, для разных длин волн при m_λ=10 представлен на фиг.3. Видно, что при изменении длины волны света происходит смещение диаграммы направленности согласно уравнению (12), а амплитуда спектральных составляющих меняется пропорционально u₀²(p).

Работа селектирующего элемента аналогична работе формирующего элемента, если обратить направление распространение света. Т.е. поле направляемой оптической моды полоскового волновода (9) формируется как результат интерференции большого количества когерентных световых пучков, перешедших из планарного оптического волновода (1) в полосковый волновод (9) в результате отражения на каждом из элементарных отражателей (10). Можно показать, что угловой спектр оптических волн, которые могут дойти до выхода (5), описывается уравнениями (7-12), полученными для формирующего оптического элемента.

Таким образом, световой пучок, вошедший через вход (4) полоскового оптического волновода и содержащий разные длины волн оптического спектра, проходит через формирующий оптический элемент и переходит в планарный оптический волновод в виде набора когерентных световых пучков, диаграмма направленности которых зависит от длины волны оптического излучения согласно уравнению (12) и имеет очень узкую ширину (порядка 0,0001 радиан). Далее часть прошедшего через АО ячейку оптического пучка на длине волны света, которая удовлетворяет условиям брэгговского синхронизма, дифрагирует на ПАВ (7) и отклоняется под углом 2•θ_В в сторону селектирующего элемента, который пропускает только ту часть оптического излучения, которое имеет строго заданную длину волны и направление распространения. Т.е. он осуществляет дополнительную селекцию по длине волны оптического излучения, прошедшего через АО перестраиваемый фильтр. Фильтрующие свойства формирующего и селектирующего элементов можно описать с помощью свертки их спектральных функций, которая для случая одинаковых по конструкции элементов имеет вид:
I(λ₀) = ∫I(p)•I(2θ_В- θ₀- p)dp. (13)
Из выражения (13) следует, что для того чтобы избежать прямого прохождения сигнала в отсутствии ПАВ (когда θ_В=0), относительный угол наклона зеркально-отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов (θ₀) должен быть больше угла дифракционной расходимости (λ₀/Nw₀) светового пучка, отраженного от элементарного отражателя.

Данное утверждение иллюстрируют кривые 17 и 18 на фиг.4, которые описывают расчеты прямого прохождения сигнала I(λ₀). Кривая 17 соответствует
случаю θ₀=0, а кривая 18 соответствует случаю θ₀=0,1 (т.е. когда длина волны ПАВ на центральной частоте составляет 7 мкм). Хорошо видно, что при θ₀=0 устройство пропускает набор узких подзон, соответствующих разным порядкам интерференции (m_λ). Однако при θ₀=0,1 (т.е. когда θ₀ больше λ₀/Nw₀≈ 0.7) наблюдается эффективное (больше 30 дБ) подавление сигнала прямого прохождения. Ширина линии полосы пропускания определяется угловой расходимостью диаграммы направленности излучения (Δp) и характером сканирования диаграммы направленности при изменении длины волны света. Тогда согласно (10) и (12) имеем:
Δλ_1/2= λ/(N•d•M). (14)
Из сравнения уравнений (1) и (14) следует, что предлагаемый перестраиваемый фильтр при одинаковых размерах имеет ширину линии приблизительно в N/ΔN раз уже, чем стандартный коллинеарный акустооптический фильтр. Для ниобата лития это обеспечивает сужение линии полосы пропускания более 20 раз.

Следует отметить, что акустооптическая ячейка обладает важными для работы данного устройства селектирующими свойствами. Т.е в АО взаимодействии участвуют (т.е. откланяются) только те оптические волны, которые удовлетворяют условиям брэгговского синхронизма. Можно показать, что для случая изотропной дифракции селектируются только те длины волн света, которые удовлетворяют уравнению:
λ = λ_m•(1+θ₀)/(1+λ_m/(2•N•Λ)). (15)
Оно показывает на каждой фиксированной длине волны ПАВ найдется набор таких длина волны света λ в окрестности λ_m, для которых одновременно выполняются условия фазового синхронизма, и обеспечивается максимально-эффективная трансформация из полоскового оптического волновода формирующего элемента в планарный оптический волновод акустооптической ячейки, а затем в полосковый оптический волновод селектирующего элемента. Т.е. данное устройство обладает свойством автоподстройки полосы пропускания при изменении длины волны ПАВ. Отметим, что данный фильтр осуществляет синхронную перестройку полосы пропускания сразу для нескольких подзон. Любую из них можно выбрать в качестве рабочей для конкретного типа перестраиваемого фильтра.

Выбор рабочей подзоны может осуществляться внешним широкополосным фильтром и/или использованием для передачи информации только заданного диапазона длин волн. Например, для подзоны, соответствующей m_λ=10, рабочие длины волн лежат в диапазоне 1,5÷1,6 мкм. Ниже все результаты будут относиться именно к этой подзоне как наиболее перспективной для использования в волоконно-оптической связи. Однако все выводы автоматически переносятся и на другие диапазоны длин волн, т.е. данный фильтр является универсальным устройством, т.к. от длины волны света зависят только его технические параметры.

Можно показать, что ширина линии пропускания АО ячейки, имеющей один однородный ВШП с апертурой L, описывается следующим выражением:
Δλ_AO2~ 0.9λ₀ Λcos(θ_В)/L. (16)
Фильтрующие свойства акустооптического перестраиваемого фильтра определяются произведением фильтрующих свойств как АО ячейки (см. уравнение (16)), так и свойствами формирующего и селектирующего элементов (см. уравнение (14)), которые также управляются АО ячейкой.

Пример расчетных характеристик акустооптического перестраиваемого фильтра на ниобате лития представлен на фиг.5. Хорошо видно, что при изменении длины волны ПАВ от 5 до 12 мкм устройство обеспечивает селективную фильтрацию оптического излучения от 1,511 мкм до 1,571 мкм, т.е. в пределах полосы перестройки 60 нм, примерно соответствующей оптимальной полосе пропускания оптического волокна и существующих оптических усилителей сигнала. Форма ширины линии пропускания фильтра показана на фиг.6. По уровню 0,5 (или -3 дБ) она имеет ширину 0,1 нм, что соответствует 600 перестраиваемым каналам по длине волны света. При расчете полагалась постоянство коэффициента отражения для всех элементарных отражателей. Отметим, умеренное уширение линии пропускания фильтра при понижении уровня режекции сигнала; например, по уровню -10 дБ ширина линии составляет 0,33 нм.

Уровень побочных максимумов оптических элементов можно уменьшить путем взвешивания их коэффициента пропускания. В нашем случае с целью лучшего подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели выбирают с изменяемыми коэффициентами отражения, величину которых монотонно уменьшают к началу и концу формирующего и/или селектирующего элемента. Закон изменения коэффициента отражения выбирают исходя из компромиссных требований на ширину линии пропускания фильтра и уровень подавления боковых лепестков. Например, весовая функция по Хэннингу
Ψ(m) = cos²[π•(2•m-M)/M], m = 1,2,... . M. (17)
является гладкой и довольно близка к гауссовой кривой. Она дает максимальный уровень побочного максимума - 32 дБ, а ширина линии пропускания фильтра по уровню 0,5 в 1,62 раза больше, чем при прямоугольном взвешивании (постоянный уровень сигнала от всех элементарных отражателей). Преимущество хэннингова взвешивания заключается в том, что уровень побочных максимумов быстро спадает как (λ-λ₀)^-3. В то же время взвешивание с используемой функции Хэмминга, часто используемой функцией взвешивания, дает более узкую линию пропускания фильтра с меньшим уровнем побочных максимумов (-43 дБ). Ее недостаток - низкая скорость спадания побочных максимумов. Отметим, что хэммингово взвешивание очень похоже по виду и дает результаты, подобные ограниченной гауссовой функции:

если константу взвешивания выбрать равной 12,5.

На фиг. 6 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для m_λ=10. Все дальнейшие расчеты приведены с учетом проведенной нормировки на константу С. Из соображений удобства все кривые нормированы на эффективность дифракции света на ПАВ, которую осуществляет акустооптическая ячейка. Кривая 25 описывает ширину линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для случая постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей. Кривая 26 описывает случай изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, когда весовая функция является ограниченной гауссовой функцией (18) с константой взвешивания, равной 5. Хорошо заметно, что взвешивание весовых функций или коэффициента трансформации поля оптической направляемой моды из полоскового оптического волновода в планарный оптический волновод приводит к существенному улучшению подавления паразитных сигналов и сужению линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра при высоких уровнях режекции. Например, для случая изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей (кривая 26) ширина линии составляет 0,1 нм по уровню -3дБ, 0,17 нм по уровню -10 дБ и 0,22 нм по уровню -20 дБ соответственно. Т.е акустооптический перестраиваемый фильтр обеспечивает 270 независимых каналов по уровню -20 дБ или 350 каналов по уровню -10 дБ, причем подавление паразитных сигналов в полосе перестройки (60 нм) оказывается выше 35 дБ.

Вид используемых весовых функций представлен на фиг.7. Для постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей он имеет вид экспоненциальной зависимости (см. кривую 27). Весовая функция в виде ограниченной гауссовой функции (18) с константой взвешивания, равной 5, показана на кривой 28. Кривая 29 показывает изменение величины поля направляемой оптической моды полоскового оптического волновода по мере ее прохождения через элементарные отражатели с изменяемым коэффициентом отражения. На фиг.8 представлено соответствующее изменение коэффициента отражения от элементарных отражателей, которое обеспечивает заданный вид весовой функции 28, показанной на фиг.7. Из фиг.6 хорошо заметно, что уменьшение коэффициента отражения элементарных отражателей к началу и концу формирующего и/или селектирующего элемента (см. фиг.8) приводит к лучшему подавлению паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра. Вид самой функции изменения коэффициента отражения может быть произвольным и ее выбирают исходя из компромиссных требований на ширину линии пропускания фильтра и уровень подавления боковых лепестков.

Могут существовать ситуации, когда пользоваться внешним широкополосным входным фильтром не желательно, а требуемая полоса задержки сигналов так велика, что захватывает сразу несколько подзон. В этом случае элементарные отражатели формирующего и/или селектирующего элементов смещают относительно периодического расположения псевдослучайным образом на величину, кратную центральной длине волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра, поделенной на эффективный показатель преломления соответствующего полоскового оптического волновода (d₀). Такое расположение отражателей обеспечивает когерентное сложение пучков, сформированных от различных отражателей, только на центральной длине волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра. На всех остальных длинах волн света, достаточно удаленных от центральной, результирующее поле от сложения пучков, сформированных от различных отражателей с хаотической задержкой сдвига фаз, будет пренебрежимо мало.

Расчет данного типа акустооптического перестраиваемого фильтра может быть выполнен только численно согласно уравнениям (5) и (6), если уравнение (4) поменять на (19), соответствующее случаю псевдослучайного расположения элементарных отражателей:
х_m=d•m+d₀•A_m, m=1,2,3,....М, (19)
где d₀ = λ₀/N - шаг псевдослучайного расположения отражателей, λ₀- центральная длина волны света оптического излучения перестраиваемого фильтра, A_m - набор целых чисел (0, ±1, ± 2,... ±М₀), которые изменяются случайным образом от -М₀ до +М₀, где М₀ - кратность псевдослучайного расположения отражателей, причем М₀ должна быть меньше, чем отношение d/d₀.

На фиг. 9 представлен расчет формы ширины линии пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра для периодического (кривые 30 и 32) и псевдослучайного (кривые 31 и 33) расположения (с кратностью, равной 4) наклонных отражателей формирующего и селектирующего элементов. Кроме того, кривые 30 и 32 соответствуют случаю постоянного коэффициента отражения от элементарных отражателей, а кривые 31 и 33 соответствуют случаю изменяемого коэффициента отражения от элементарных отражателей, когда весовая функция является ограниченной гауссовой функцией (18) с константой взвешивания, равной 5.

Из всего диапазона изменения длины волны света в полосе заграждения фильтра выбраны два характерных участка вблизи 1,4 мкм и 1,54 мкм, которые соответствуют максимальному прохождению акустооптического перестраиваемого фильтра, для двух интерференционных порядков m_λ=11 и m_λ =10 соответственно, для случая длины волны ПАВ 7 мкм. Чтобы лучше продемонстрировать фильтрующие свойства акустооптического перестраиваемого фильтра, на фиг.9 расчет формы ширины линии пропускания представлен в логарифмическом масштабе для m_λ=11 (кривые 30 и 31) и m_λ=10 (кривые 32 и 33). В частности, из сравнения кривых 32 и 33 видно резкое увеличение подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра для случая изменяемого коэффициента отражения (кривая 33) элементарных отражателей по сравнению со случаем их постоянного коэффициента отражения (кривая 32).

Видно, что кривые 30 и 32, которые соответствуют строго периодическому расположению элементарных отражателей с периодом 7 мкм, практически не меняются при изменении номера подзоны (или интерференционного порядка m_λ). Т.е., как уже отмечалось выше, чтобы избежать прохождения сигнала от соседних подзон, необходимо использовать дополнительный широкополосный фильтр и/или использовать для передачи информации только заданный диапазон длин волн в пределах одной подзоны. Однако если ввести квазипериодическое расположение элементарных отражателей с d₀=700 нм (см. кривую 31), то акустооптический перестраиваемый фильтр пропускает только одну фиксированную длину волны света, которая определяется длиной волны ПАВ. Хорошо видно, что линия 1406 мкм, соответствующая m_λ=11, подавлена по уровню свыше - 40 дБ по сравнению с рабочей (центральной) линией 1540 нм, соответствующей m_λ=10. Таким образом, псевдослучайное расположение элементарных отражателей согласно (19) обеспечивает когерентное сложение пучков, сформированных от различных отражателей, только на одной длине волны света вблизи центральной. На всех остальных длинах волн света, достаточно удаленных от центральной, результирующее поле от сложения пучков, сформированных от различных отражателей, имеет хаотическую задержку сдвига фаз и оказывается пренебрежимо малым. Следует отметить, что уровень подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра зависит от кратности псевдослучайного расположения отражателей и общей величины полосы заграждения фильтра.

В результате использования изобретения получен акустооптический перестраиваемый фильтр, который одновременно имеет минимальные размеры (в нашем примере рабочее поле всего 1•1 кв.см), узкую линию полосы пропускания (порядка 0,1 нм по уровню 3 дБ и 0,22 нм по уровню -20 дБ) в полосе перестройки до 60 нм и высокое подавление (больше 30 дБ) паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра. Совокупностью таких параметров не обладает ни один из известных акустооптических перестраиваемых фильтров. Предлагаемый акустооптический перестраиваемый фильтр может быть использован при конструировании систем частотного уплотнения, используемых в волоконно-оптической связи, а также для создания малогабаритных перестраиваемых спектрометров оптического излучения.

Акустооптический перестраиваемый фильтр может быть изготовлен по известной технологии, разработанной для создания устройств интегральной оптики и микроэлектроники.

Реферат

Изобретение относится к интегральной и волоконной оптике и может быть использовано в качестве перестраиваемого фильтра для частотного уплотнения сигналов в волоконно-оптических системах связи, малогабаритного перестраиваемого оптического спектрометра. Акустооптический перестраиваемый фильтр представляет собой планарный оптический волновод с акустооптической ячейкой, в котором или рядом с ним изготовлены элементы, формирующие и/или селектирующие оптические пучки в виде двух полосковых оптических волноводов и набора элементарных отражателей, перекрывающих апертуру соответствующих полосковых оптических волноводов, по которым проходят падающий и выходящий световые пучки соответственно. Угол наклона элементарных отражателей формирующего элемента выбирают из условия, что зеркально отраженные световые пучки направлены под углом Брэгга для падающей световой волны; угол наклона элементарных отражателей селектирующего элемента выбирают из условия, что зеркально отраженные световые пучки, выходящие из полоскового волновода, направлены под углом Брэгга для дифрагированной световой волны акустооптической ячейки. Чтобы обеспечить прохождение через выходящий полосковый волновод только отклоненного продифрагировоннаго пучка, относительный угол наклона зеркально отраженных пучков формирующего и селектирующего элементов выбирают больше угла дифракционной расходимости световых пучков, отраженных от элементарных отражателей. Положение элементарных отражателей выбирают из условия, что на центральной длине волны оптического излучения перестраиваемого фильтра направления распространения одного из порядков интерференции от различных элементарных отражателей соответственно совпадают с направлениями, задаваемыми зеркально отраженными пучками, переходящими из полосковых оптических волноводов в планарный оптический волновод. Для лучшего подавления паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели выбирают с изменяемыми коэффициентами отражения, а с целью расширения полосы задержки сигналов вне полосы пропускания фильтра элементарные отражатели формирующего и/или селектирующего элементов смещают относительно периодического расположения. Техническим результатом является создание акустооптического перестраиваемого фильтра, который одновременно имеет минимальные размеры, узкую линию полосы пропускания в полосе перестройки и высокое подавление паразитных сигналов вне полосы пропускания фильтра. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула