Задача №5

Рассчитать и построить зависимость распределения мощностей, передаваемых в двухканальном направленном ответвителе иприОпределить длины направленного ответвителя, обеспечивающие трехдецибельное и десятидецибельное ответвления и критическую длину.

Задача №6

На основе двухканального направленного ответвителя выполнен модулятор–переключатель, в котором эквивалентный коэффициент связи, определяемый разностью коэффициентов фазы изменяется за счет электрооптического эффекта (рис. 3.6). Определить связь между и длиной L (или L), обеспечивающую коэффициент модуляции M=1 (т.е. отключение второго канала).

Рис.3.6. Модулятор-переключатель на основе НО

3.3.2. Связь через торец ОВ, например, с ВОЛС реализовать очень трудно из-за требований высокой точности фокусировки (менее 1 мкм). Кроме этого, торец часто недоступен и связь удобнее производить через покровный слой. Для эффективной связи при этом нужно обеспечить равенство фазовых скоростей или коэффициентов фаз в ОВ и в покровном слое, т.е.

(условие фазового синхронизма) nL=. Но для поддержки поверхностных волн, т.е. возможности работы ОВ необходимо, чтобы , т.е.

. (3.13)

Принцип работы призменных и решетчатых устройств связи основан на том, что в ОВ моды распространяются под разными углами . Так как “хвосты” мод выходят за пределы ОВ, то вводить или выводить разные моды оптического излучения нужно тоже под разными углами, но таким образом, чтобы не нарушилось условие полного отражения.

3.3.3. Работа решетчатых элементов связи, как и призменных, основана на том, что каждая мода в ОВ распространяется под своим углом. Для возбуждения или вывода определенной m-ной моды необходимо обеспечить условие фазового синхронизма, причем роль замедляющей системы играет дифракционная решетка, расположенная в покровном слое.

Рис.3.7. Решетчатый элемент связи

В общем случае решетка представляет собой ряд параллельных проводящих нитей, расположенных с шагом d (рис.3.7,а). Из теории дифракционных и антенных решеток известно [21], что характеристика направленности решетки описывается выражением

, , (3.14)

где– коэффициент замедления;N – количество элементов. Условием всех максимумов решетки является условие обращения в нуль знаменателя , гдеq=0, 1,2…– порядок дифракционного максимума (q=0 - главный максимум, q=1,2,…– побочные или дифракционные максимумы, которые существуют при=0, если, а вообще при).

В случае ОВ, если n₂=1, то условие всех максимумов решетки записывается по аналогии с антенной решеткой в виде

sin_m,q=_m+q/d, (3.15)

где m-номер моды; _m-коэффициент замедления m-ной моды. Угол _m,q определяет резонанс m-ной моды. Иначе говоря, решетка вызывает разложение каждой моды в ряд пространственных гармоник по q. Так как _m=C/V_m для всех мод различны, то с помощью решетки можно осуществить селекцию мод на выходе или входе, ослабить основной и подчеркнуть любой дифракционный максимум. Для погашения m-ной моды решетка выполняется резистивной. Так как q может иметь разный знак, то можно менять направление распространения высших гармоник. Подбором шага d и коэффициентов n₀ и n₂ можно обеспечить вывод энергии как в покровный слой, так и в подложку в прямом или обратном направлениях. На практике используются так называемые фазовые решетки, сформированные изменением плотности или толщины материала. Например, решетка реализуется модуляцией поверхности ОВ, т.е. поверхность делается гофрированной на границах с покровным слоем или подложкой ( рис.3.7,б,в). В разных слоях ОВ волна излучается под разными углами

_m,q,i=(_m,i+q/d)/n_i, (3.16)

где i=0,1,2–номер слоя ОВ. При /(+n₂)d/(-n₂) происходит излучение в покровный слой и в подложку; при /(-n₂) d/(-n₀) – только в подложку в прямом направлении; при в подложку в обратном направлении. При малых отклонениях ()<<1 излучения из ОВ не происходит, но возможно изменение направления распространения, т.е. с_m= на _m=- (эффект распределенного зеркала) или получить при преобразование моды с коэффициентом замедленияв моду с коэффициентом, связанные соотношением

=. (3.17)

На практике период d выполнить с высокой точностью трудно, поэтому в небольших пределах изменяют угол падения , т.е. вводят эффективный шаг(рис.3.8,а). Этим способом можно преобразовать моду H₁ в моду H₂ с КПД 80%. В обычном варианте (без подстройки α) КПД ввода-вывода не превышает 50%.

Рис.3.8. Варианты решетчатых элементов связи

С помощью решетчатых элементов можно получить и много других эффектов, например: эффект фокусировки при помощи нерегулярной решетки

(рис.3.8,б) и эффект направленного ответвления при помощи асимметричного профиля (рис.3.8,в) (решетка с “блеском”или“эшелет”). В этом случае возможно перераспределение энергии в подложку (I)или в покровный слой (I) в зависимости от направления распространения энергии в ОВ с КПД более 95%.

Технология изготовления решетчатых элементов сводится к маскированию с последующим травлением, но разрешение масок имеет тот же порядок, что и шаг решеток . Поэтому чаще используют оптический интерференционный процесс (голографический), обеспечивающийd порядка видимого диапазона.

Основные достоинства решетчатых элементов: они являются составной частью волноводной структуры и эффективность их сопряжения остается постоянной и не изменяется от внешних условий (например, вибрацией), а, кроме этого, их можно использовать в ОВ на ПП с большим n, для которых трудно реализовать призмы.

Недостатками является то, что из-за сильной зависимости параметров от углов их нельзя использовать с расходящимися пучками ПП лазеров, а также сложность изготовления и малый КПД ввода-вывода для симметричных профилей

а б

Рис.3.9. Суживающиеся элементы связи

3.3.3. Принцип работы суживающихся элементов связи основан на том, что при уменьшении толщины ОВ до размера, определенного отсечкой энергия передается в излучательные моды. Например, применяется клинообразный ОВ с уменьшающейся высотой () для ответвления в подложку (рис.3.9,а), а затем, например, в ВОЛС.

КПД ввода при этом составляет 60-70%, остальная энергия излучается в покровный слой и подложку. Аналогично возможен вывод энергии и в покровный слой и подложку, но технологически выполнить сложнее.

Другой вариант связи ОВ с ВОЛС показан на рис.3.9.б. В этом случае используется излучение при изгибе сердцевины волокна, который возникает из-за точечного прижима. При диаметре сердцевины 2а=60мкм КПД~90%.