Оптический волоконный переключатель - RU2160459C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к оптическому волоконному переключателю, в частности, к двоякопреломляющему оптическому волоконному переключателю с большой эффективной площадью и минимальным линейным двойным лучепреломлением.

Оптический волоконный переключатель содержит оптическое волокно с двойным лучепреломлением, пропускающее входной сигнал в виде волны, поляризованной в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, и соединенное с оптическим волокном устройство лазерной накачки, генерирующее переключающий сигнал. При работе оптического волоконного переключателя входной сигнал распространяется по оптическому волокну в виде одной из двух взаимно перпендикулярно поляризованных мод, до тех пор, пока в волокно не подан переключающий сигнал с той же поляризацией, что и у входного сигнала. Если переключающий сигнал достаточно мощный, он вызывает нелинейное двойное лучепреломление в оптическом волокне, вследствие чего входной сигнал меняет ориентацию и распространяется в виде другой поляризационной моды. Для сохранения поляризации оптическое волокно в описанном выше оптическом волоконном переключателе подбирается с большим двойным лучепреломлением, т.е. 10^-4 или больше, а если оптическое волокно является сильно двоякопреломляющим, оно имеет малую эффективную площадь, т.е. менее 40 мкм².

Основной проблемой такого оптического волоконного переключателя является то, что на входной сигнал в оптическом волоконном переключателе воздействуют нежелательные нелинейные эффекты, которые искажают входной сигнал. К ним относятся плавление волокна (см. "Experimental Investigation of the Fiber Fuse" D. D.Davic & S.C.Mettier in Optical Fiber Conference, WP17, c.l 86-187, 1995), возникновение волн высшего порядка вследствие эффекта Рамана и перекрестная фазовая модуляция, которая подробнее рассматривается ниже. Нелинейные эффекты возникают вследствие большого двойного лучепреломления оптического волокна, малой эффективной площади оптического волокна и высокого уровня мощности переключающего сигнала. В частности, на входной сигнал воздействуют нежелательные нелинейные эффекты из-за высокого уровня мощности переключающего сигнала, необходимого для переключения входного сигнала. Высокий уровень мощности переключающего сигнала необходим из-за большого двойного лучепреломления оптического волокна.

Как указано выше, одним из воздействующих на входной сигнал нелинейных эффектов, который увеличивается с увеличением уровня мощности переключающего сигнала, является перекрестная фазовая модуляция. Величина перекрестной фазовой модуляции входного сигнала определяется следующим уравнением:
Δϕ = (2π/λ)•[L•N₂•I],
где L - длина оптического волокна, N₂ - коэффициент преломления сердцевины волокна и I - уровень мощности или интенсивность переключающего сигнала (Вт). Как видно из этого уравнения, величина перекрестной фазовой модуляции входного сигнала увеличивается с увеличением уровня мощности или интенсивности переключающего сигнала. Соответственно, уменьшение уровня мощности переключающего сигнала уменьшает величину перекрестной фазовой модуляции.

Предлагаемый оптический волоконный переключатель содержит оптическое волокно, систему генерации переключающего сигнала и устройство связи. Оптическое волокно имеет двойное лучепреломление от 10^-5 до 10^-6 и эффективную площадь не менее 40 мкм². Система генерации генерирует переключающий сигнал первого уровня мощности, который вызывает нелинейное двойное лучепреломление в оптическом волокне, вследствие чего входной сигнал в оптическом волоконном переключателе меняет поляризационную моду. Устройство связи объединяет входной сигнал и переключающий сигнал в оптическом волокне.

Оптическое волокно в оптическом волоконном переключателе сконструировано так, чтобы свести к минимуму нелинейные эффекты, которые могут исказить входной сигнал в оптическом волоконном переключателе. В частности, уменьшение нелинейных эффектов, таких как плавление волокна, возникновение волн высшего порядка и перекрестная фазовая модуляция, в оптическом волоконном переключателе достигается выбором оптического волокна с минимальным двойным лучепреломлением, достаточным для сохранения поляризации и обеспечения слабой связи поляризованных мод, которое имеет большую эффективную площадь и требует более низкого уровня мощности переключающего сигнала для переключения входного сигнала в оптическом волокне, чем в известных оптических волоконных переключателях.

На фиг. 1 показана блок-схема усовершенствованного двоякопреломляющего волоконного переключателя в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг. 2 показано поперечное сечение оптического волокна в усовершенствованном двоякопреломляющем волоконном переключателе по линии 2-2 на фиг. 1.

Предлагаемый оптический волоконный переключатель 10 показан на фиг. 1. Он содержит оптическое волокно 12 с двойным лучепреломлением от 10^-5 до 10^-6 и эффективной площадью не менее 40 мкм², элемент 14 связи и устройство 18 лазерной накачки. Оптическое волокно 12 в оптическом волоконном переключателе 10 сконструировано так, чтобы свести к минимуму нелинейные эффекты, которые могут исказить входной сигнал в оптическом волоконном переключателе 10. В частности, оптический волоконный переключатель 10 сконструирован так, чтобы уменьшить уровень мощности переключающего сигнала, необходимый для создания нелинейного двойного лучепреломления и переключения входного сигнала в оптическом волокне 12. Объединение переключающего сигнала более низкого уровня мощности и оптического волокна 12 с минимальным двойным лучепреломлением и большей эффективной площадью позволяет снизить влияние нежелательных нелинейных эффектов на входной сигнал в оптическом волоконном переключателе 10.

На фиг.1 оптический волоконный переключатель 10 содержит оптическое волокно 12, которое имеет двойное лучепреломление, достаточное для сохранения поляризации первой и второй поляризационных мод в оптическом волокне 12, однако достаточно малое, чтобы свести к минимуму нелинейные эффекты, которые искажают входной сигнал в оптическом волоконном переключателе 10. Предпочтительно, чтобы двойное лучепреломление в оптическом волокне 12 было в диапазоне от 10^-5 до 10^-6, это минимальный диапазон, достаточный для сохранения поляризации и обеспечения слабой связи поляризационных мод. Оптическому волокну 12 для сохранения поляризации не требуется такое большое двойное лучепреломление, как известным оптическим волокнам.

Так как оптическое волокно 12 при использовании может скручиваться и изгибаться, минимальный диапазон двойного лучепреломления в оптическом волокне 12, предпочтительно от 10^-5 до 10^-6, должен быть достаточным, чтобы препятствовать связи между поляризационными модами в оптическом волокне 12 при изгибе и скручивании оптического волокна 12. Ниже показано, что двойное лучепреломление в диапазоне от 10^-5 до 10^-6 для оптического волокна 12 является достаточным, чтобы препятствовать связи между поляризационными модами в оптическом волокне 12 вследствие изгиба и скручивания.

Вызванное изгибом двойное лучепреломление в оптическом волокне обсуждается в "Rotational Effects of Polarization in Optical Fibers in Anisotropic and Nonlinear Optical Waveguides" R.Dandliker, Elseview Press, 1992. Как показано в этой работе, вызванное изгибом двойное лучепреломление η в оптическом волокне 12 определяется следующим уравнением
η = 2π/λ[0,0685r²/R²] = (2π/λ)Δ_nизгиб,
где λ- длина волны входного сигнала, r - радиус волокна, R - радиус изгиба. Если диапазон двойного лучепреломления оптического волокна 12 и его радиус r известны, можно определить радиус R изгиба оптического волокна 12, не вызывающий связи между поляризационными модами.

Например, для оптического волокна 12, даже если Δ_nизгиб = 10^-7, то R² = (0.0685 • 10⁷ ) r². Если 2r = 0,0625, из уравнения получаем R = 5 см и диаметр изгиба 10 см. Таким образом, оптическое волокно 12 можно изгибать, наматывая на катушку диаметром 10 см, что приемлемо для упаковывания, не вызывая связи между поляризационными модами.

Скручивание оптического волокна 12 также может вызвать проблемы и влияет на минимальное двойное лучепреломление, которое можно использовать. Величина мощности, переходящей из одной поляризационной моды в другую в оптическом волокне вследствие скручивания, обсуждается в "Rotational Effects of Polarization in Optical Fibers in Anisotropic and Nonlinear Optical Waveguides", R. Dandliker, Elseview Press, 1992. Как показано в этой работе, величина мощности двух поляризационных мод в оптическом волокне определяется следующей матрицей:

Здесь n - собственное двойное лучепреломление оптического волновода 12, σ - вызванное скручиванием двойное лучепреломление, γ - общее двойное лучепреломление, d - длина оптического волокна,
Вызванное скручиванием двойное лучепреломление δ определяется также следующим выражением σ = 0,16T/2, где Т - коэффициент скручивания в рад/м.

Общее двойное лучепреломление равно

Переходящая из одной моды в другую мощность, дБ, равна
P_дБ = 10log₁₀[σ/γ(sinγd)/(cosγd+i(η/γ)sinγd].
Здесь n - собственное двойное лучепреломление оптического волновода 12, σ - вызванное скручиванием двойное лучепреломление, γ - общее двойное лучепреломление, d - длина оптического волокна,
Например, при коэффициенте скручивания Т = 0, 628 рад/м в 10-метровом оптическом волокне 12 с собственным двойным лучепреломлением Δn = 10^-6 получается перекрестная связь -20 дБ, т.е. достаточно низкая. Следовательно, минимальный диапазон двойного лучепреломления от 10^-5 до 10^-6 допустим.

Оптическое волокно 12 также имеет большую эффективную площадь, чем известные оптические волокна в оптических волоконных переключателях. Предпочтительно, чтобы эффективная площадь оптического волокна 12 составляла 40 мкм² или более. Специалистам известно, что увеличение эффективной площади оптического волокна 12 помогает уменьшить влияние нелинейных эффектов на любой входной сигнал в оптическом волокне 12.

На фиг.2 оптическое волокно 12 имеет эллиптическую форму поперечного сечения с малой ("быстрой") осью 20 и большой ("медленной") осью 22. Эллиптическая форма поперечного оптического волокна 12 приводит к двойному лучепреломлению оптического волокна 12, а конкретная форма эллиптического поперечного сечения оптического волокна 12 определяет величину двойного лучепреломления. Отношение второй длины к первой равно приблизительно 2:1. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения отношение длины большой оси 22 к длине малой оси 20 составляет около 1,5:1, чтобы получить двойное лучепреломление в диапазоне от 10^-5 до 10^-6. Если форма поперечного оптического волокна 12 сильно эллиптическая, т.е. большая ось 22 намного длиннее малой оси 20, то для переключения входного сигнала потребуется большая мощность переключающего сигнала. Если форма поперечного сечения оптического волновода 12 почти круглая, т.е. длина большой оси 22 и длина малой оси 20 почти равны, то оптическое волокно 12 не сможет сохранять поляризацию и, таким образом, не может быть использовано в оптическом волоконном переключателе 10. Хотя в оптическом волокне 12 с эллиптической формой поперечного сечения достигается требуемое двойное лучепреломление, могут использоваться другие типы оптических волокон, такие как оптические волокна со стержнями, создающими напряжение, имеющие двойное лучепреломление в пределах требуемого диапазона.

На фиг.1 волоконный оптический переключатель 10 также содержит устройство 18 лазерной накачки, элемент 14 связи и фильтр 24. Устройство 18 лазерной накачки генерирует переключающий сигнал, который вызывает нелинейное двойное лучепреломление в оптическом волокне 12, приводя к переключению поляризационной моды входного сигнала. Переключающий сигнал на выходе устройства 18 лазерной накачки может иметь ряд уровней мощности. Так как оптическое волокно 12 имеет меньшее двойное лучепреломление, чем известные оптические волокна, можно использовать меньший уровень мощности переключающего сигнала. Хотя в данном конкретном случае используется лазер 18 накачки, может быть использована система любого типа, генерирующая переключающий сигнал требуемого уровня мощности. Элемент 14 связи объединяет любые входные сигналы и переключающие сигналы в оптическом волокне 12. Элемент 14 связи расположен между оптическим волокном 26 и одним концом 28 оптического волокна 12. В предпочтительном варианте элемент 14 связи является мультиплексором с уплотнением по длинам волн. Хотя изображен один элемент 14 связи, могут использоваться отдельные элементы связи для ввода входного сигнала и переключающего сигнала. Фильтр 24 соединен с другим концом 32 оптического волокна 12 и подавляет нежелательные длины волн после переключения входного сигнала, включая любой оставшийся переключающий сигнал.

При работе волоконного оптического переключателя 10 входной сигнал поступает в оптическое волокно 12 через элемент 14 связи и распространяется в виде одной из поляризационных мод. Двойное лучепреломление оптического волокна 12 находится в диапазоне от 10^-5 до 10^-6, что достаточно для сохранения поляризации и обеспечения слабой связи поляризационных мод. Когда переключающий сигнал вводится в оптическое волокно 12 через второй элемент 16 связи в виде той же поляризационной моды, что и входной сигнал, переключающий сигнал вызывает нелинейное двойное лучепреломление в оптическом волноводе 12, вследствие чего входной сигнал переключается и распространяется в виде другой поляризационной моды, если уровень мощности переключающего сигнала является достаточным.

Как отмечено выше, уровень мощности, необходимый переключающему сигналу, чтобы вызвать нелинейное двойное лучепреломление в оптическом волокне 12 и изменить поляризационную моду входного сигнала, зависит от двойного лучепреломления оптического волновода 12. Двойное лучепреломление оптического волокна определяется следующим уравнением (см. M.N. Islam, "Ultrafast Fiber Switching Devices and Systems", Cambridge University Press, 1992):
ΔN = 0,33N₂(I_x-I_y),
где ΔN - нелинейное двойное лучепреломление, N₂ - нелинейный коэффициент преломления сердцевины оптического волокна 12, I_x - интенсивность входного сигнала вдоль оси x и I_y - интенсивность входного сигнала вдоль оси y. Предположим в данном случае, что поляризационная мода вытянута вдоль оси x и оси y и что I_y = 0. I_x определяется следующим образом I_x = P_x/A_x, где P_x - уровень мощности переключающего сигнала и A_x эффективная площадь оптического волокна 12. Подставляя это уравнение в уравнение для определения двойного лучепреломления оптического волокна 12, получаем уравнение
ΔN= 0,33N₂P_x/A_x .
Решая это уравнение относительно P_x, получаем следующее уравнение:
P_x = (ΔN•A_x)/0,33N₂.
Следовательно, если двойное лучепреломление оптического волокна небольшое по сравнению с известными оптическими волокнами для оптических волоконных переключателей, то есть в диапазоне от 10^-5 до 10^-6 , то, как видно из этого уравнения, мощность P_x переключающего сигнала тоже будет меньше. Предпочтительно, чтобы мощность переключающего сигнала была в диапазоне от 0,1 до 10 кВт. Как отмечено выше, величина перекрестной фазовой модуляции входного сигнала в оптическом волокне 12 зависит от мощности переключающего сигнала. Уменьшение мощности, необходимой переключающему сигналу, уменьшает величину перекрестной фазовой модуляции.

Из уравнения для определения двойного лучепреломления оптического волокна 12 видно, что уменьшение двойного лучепреломления оптического волокна 12 также позволяет увеличить эффективную площадь. Решая уравнение для определения двойного лучепреломления оптического волокна 12 относительно эффективной площади A_x, получаем следующее уравнение
A_x = (0,33N₂P_x)/ΔN.
Следовательно, если двойное лучепреломление оптического волокна 12 небольшое, как описано выше, в диапазоне от 10^-5 до 10^-6, тогда, как видно из этого уравнения, эффективная площадь оптического волокна 12 будет больше. Предпочтительно, чтобы эффективная площадь оптического волокна 12 была 40 мкм² или больше. Специалистам известно, что увеличение эффективной площади оптического волокна 12 уменьшает влияние нежелательных нелинейных эффектов на входной сигнал. Таким образом, оптический волоконный переключатель 12 позволяет уменьшить нелинейные эффекты, в частности, плавление волокна и возникновение солитонов высшего порядка вследствие эффекта Рамана, посредством уменьшения двойного лучепреломления, увеличения эффективной площади и уменьшения мощности, необходимой для переключающего сигнала.

Данное подробное описание приведено в качестве примера. Возможны различные изменения, усовершенствования и модификации, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения. Таким образом, изобретение ограничено только формулой изобретения и ее эквивалентами.

Реферат

Оптический волоконный переключатель содержит оптическое волокно, систему генерации переключающего сигнала и устройство связи. Оптическое волокно имеет двойное лучепреломление между 10^-5 и 10^-6 и эффективную площадь не менее 40 мкм². Система генерации генерирует переключающий сигнал, имеющий такой уровень мощности, при котором возникает нелинейное двойное лучепреломление в оптическом волокне, вследствие чего входной сигнал в оптическом волокне меняет поляризационную моду. Устройство связи объединяет входной сигнал и переключающий сигнал в оптическом волокне. Технический результат заключается в том, чтобы свести к минимуму нелинейные эффекты, которые могут исказить входной сигнал в оптическом волоконном переключателе. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

Формула