Бесконечно малое поле ответвителя
(или X-соединитель или 4-портовый соединитель)
Чтобы избежать трудностей в стабильности соединителя волны в свободном пространстве волн, желательно использовать многоволоконные схемы с улучшенными характеристиками. Это требует дублирования в форме световода различных функций, необходимых в интерферометре. В частности соединитель мгновенных полей можно заменить 3 дБ разделителем. Принцип такого соединителя, называемого также X-соединителем или четырехпортовым соединителем, обычно объясняется перекрытием мгновенной убывающей основной моды волновода с направляемой волной второго порядка (см. приложение 2). Эти соединители могут быть реализованы в виде многоволоконных форм, а также на подлодке интегральной оптики.
Вместе с тем чтобы понять поведение взаимности, интересно использовать альтернативные объяснения [15]. Два параллельных одномодовых волновода могут рассматриваться как двухмодовый волновод. Когда свет подается во входной порт, это воздуждает в соединителе основную симметричную моду и антисимметричную моду второго порядка (Рисунок 3.14). Дифракционные максимумы мод совпадают по фазе на входе светового волновода и отличаются на π (или 180 град) по фазе на выходе. Так как две моды распространяются с различными скоростями, их разность фаз меняется линейно, и амплитуды в каждом волноводе можно оценить с использованием фазовых диаграмм (рисунок 3.15). На половине длины соединителя имеем разделение 50-50: обе моды по фазе в квадратуре, а модули амплитуды волн в обоих волноводах одинаковы. При длине соединителя Lcp свет был полностью переведен во второй волновод. Поскольку амплитуды волн в обоих волноводах можно представить двумя диагоналями ромба, суммарный вектор амплитуды мод всегда перпендикулярен, это означает, что скрещенные волны всегда по фазе в квадратуре применительно к отправляемым волнам.
Использование бесконечно малого поля ответвителя в кольцевом оконном интерферометре (Рисунок 3.16) представляется очень выгодным, так как нет интерференционных полос в свободном пространстве, и свободный порт может быть точно дополненным обратными портами, со стабильной разностью фаз π рад, полученной дважды соединителями с π/2. Это делает возможным отказ
| Рисунок 3.14.
Разложение входного модулированного луча света
на два связанных по структуре световых потока.
|
| Рисунок 3.15.
Распространение мод при двухволноводном объединении стуктур с фазовыми диаграммами для распространения света в каждом волноводе
|
| Рисунок 3.16. Многоволоконный кольцевой интерферометр
с 3-дБ соединителем
|
от использования более сложных минимальных конфигураций. Однако, как будет показано далее, поляризация еще должна быть отфильтрована на тот же обратный порт ввода–вывода и, кроме того, фаза спаренных волн в соединителе на практике равна π/2 не точно. Фактически всегда есть остаточные дифференцированные потери между симметричными и антисимметричными модами, рассматриваемыми как двухмодовый волновод. Идеальный ромб фазовой диаграммы превращается в обычный параллелограмм с неравными сторонами, диагонали в котором становятся не перпендикулярными (Рисунок 3.17) [15]. Это дает ложную разность фаз в свободном порте кольцевого
| (а) (б)
Рисунок 3.17. Фазовая диаграмма передаваемой пары волн соединителя: (а) соединитель с наименьшими потерями;
(б) дифференциальные потери
|
интерферометра. С очень низким уровнем потерь соединителя этот эффект невелик, но остается значительным по сравнению с очень небольшим изменением наклона (менее 1 мрад, который соответствует менее чем 10–6 дифференциальных потерь), которое наблюдается при получении высокой производительности. Поэтому, даже с малыми полями четырехпортового соединителя, минимальная конфигурация должна быть использована для получения низкого смещения дрейфа.
Y- соединение
Как мы уже видели, только три порта действительно полезны в многоволоконном кольцевом интерферометре, так бесконечно малое поле соединителя может быть заменено Y-соединением. В многоволоконной форме бесконечно малый полевой четырехпортовый X-соединитель легче изготовить, чем трехпортовый Y-соединитель; однако в интегральной оптике (см. приложение 3), которая, как будет видно, является решающей в технологии реализации схемы обработки сигналов высокой производительности, Y-соединителям отдается предпочтение ввиду их простоты и стабильности.
Y-соединение, называемое также разветвленным волноводом, было предложено рано в работе [16] как очень полезная интегральная оптическая компонента. Она состоит из базового одномодового волновода, соединенного с двумя одномодовыми волноводами (Рисунок 3.18). Это сфабриковано очень
| Рисунок 3.18.
Интегриральное оптическое Y-соединение
|
просто с Y–маской, а симметрия обеспечивает разделение 3 дБ, хотя бесконечно малый полевой соединитель требует тщательного контроля над процессом диффузии, дающим адекватные перекрестные соотношения. Принцип прямого действия прост: свет, распространяемый в основном одномодовом волноводе, поровну делится на два симметричных одномодовых разделенных волновода, которые расходятся с очень малым углом (обычно 1 градус) для минимизации потерь. Поведение резервной операции [17,18] не так просто объяснить, но как 50% основного волноводного света разделяется в каждой ветви волновода, взаимности аргументы взаимности показывают, что такой же процент должен использоваться в сочетании пары отводов волноводов в основном волноводе в противоположными направлениями потоков.
Это можно лучше понять, рассмотрев многомодовый интерферометр Маха-Цендера, состоящий из двух Y-соединителей (Рисунок 3.19). Свет разделяется на первом соединении и с двумя равными оптическими путями две волны рекомбинируют по фазе на втором соединении. Это эквивалентно
| Рисунок 3.19.
Интерферометр Маха-Цендера с равными путями:
(a) с двумя Y-соединениями; (b) в объемной форме
|
резонатору интерферометра Маха Цендера, в котором две волны складываются по фазе на одном порту при отсутствии света на другом из-за деструктивной интерференции. Теперь, если имеется дополнительная разность фаз π рад между двумя контурами, они рекомбинируют в дифракционный максимум второго порядка с антисимметричной модой, которая излучается в подложку, потому что это не может быть основанием для базового одномодового волновода на выходе соединения (Рисунок 3.20). Это эквивалентно тому, что случается в резонаторе Маха-Зендера, в котором индуцируется разность фаз, переключающая выход светаа на четвертый порт вывода разделителя. Y-соединение – четырехпортовое устройство, как и любой 3 дБ разделитель, но в данном случае имеется три направляющих порта и четвертый порт излучает на подложку.
Обратная операция может быть понята относительно пары ветвей волноводов как двухмодового волновода, аналогично случаю бесконечно малого полевого соединителя. Соединение света в одной ветви может интерпретироваться как суперпозиция основных симметричных мод и антисимметричных мод второго порядка. Обе моды находятся в освещенном волноводе, пока они сдвинуты по фазе на π рад (или 180 град) и не освещены вне фазы в другой (Рисунок 3.21). В соединении симметричный режим, который осуществляет 50% от оптической мощности, могут быть спарены
| Рисунок 3.20.
Интерферометр Маха-Цендера с разницей фаз в π рад:
(a) с двумя Y-соединениями; (b) в объемной форме
|
| 4-й порт→
расходящиеся антисиммет-ричные моды
|
основные одномодовые волноводы, антисимметричные моды излучения которых отсекаются в подложку.
Поскольку, как мы уже видели, архитектура гироскопа требует использования только трех портов, Y-соединение является вполне достаточным. Естественно, оно дает взаимные конфигурации, потому что основной волновод должен использоваться как общий порт ввода-вывода, поскольку необратный свободный порт теряется в подложке (Рисунок 3.22). Это оптимальное технологическое решение, потому что это гораздо более стабильное и более простое в изготовлении, чем бесконечно малое полевое соединение в интегральной оптике. Такие соединения используются для быстрого переключения, но простота Y-соединение делает их оптимальными для постоянного разделения.
Многоволоконный подход
Многоволоконный подход подход впервые появился как идеальный технологический выбор для волоконного гироскопа из-за очень низкой потери компонентов, которые обеспечивают очень хорошее соотношение сигнал шум, благодаря высокой возвратной мощности [11,19]. Многоволоконная архитектура (Рисунок 3.23) использует первый соединитель «катушку» для разделения и перекомпоновки интерферирующих волн и второй соединитель «источник» для отправки сигнала, возвращающегося обратно через общий порт
| Рисунок 3.21. Реверсирование операции Y-соединения:
(a) принцип; (b) фотография торца выходной цепи одномодового световода с расходящейся антисимметричной волной
|
| Одномодовое
покрытое волокно
|
| Рисунок 3.22. Взаимные конфигурации с Y-соединением и
одномодовым покрытым волокном
|
ввода-вывода на детектор. Поляризация фильтруется на обратный порт с многоволоконным поляризатором, который первоначально был сделан из двулучепреломляющего кристалла, стоящего перед волокном, полированным сбоку для извлечения призмой одной поляризации бесконечно малой исчезающей моды [20]. Представляемые многоволоконные системы теперь предпочитают «обмотанный» поляризатор [21], который работает на потерю дифференцированной кривизны, возникающей при особых условиях между поляризованными напряженными волокнами с высоким двулучепреломлением. Если в начале использовали медную подложку для «обычных» одномодовых волокон с рядными поляризационными контроллерами, в частности петлями λ/4 и λ/2 [22], это ограничение теперь можно избежать при наличии сохранения поляризации волокон (см. приложение 2).
| Рисунок 3.23. Многоволоконная взаимная конфигурация
|
| Устройство связи с катушкой
|
| Устройство связи с источником
|
Основное ограничение такого подхода связано с фазовым модулятором. Единственная практическая технология заключается в намотке волокна вокрул пьезоэлектрической трубки (или диска) [23] (см. приложение 2), которая изменяет длину волокна, при контроле диаметра трубка с прикладываемым напряжением. Этот метод является вполне достаточный для соответстующей модуляции-демодуляции, но достижение фактора точности требует применения более совершенных методов обработки сигнала. В многочисленных публикациях описаны схемы обработки, которые совместимы с пьезоэлектрическими модуляторами (см. раздел 10.2), но на сегодняшний день высочайший фактор точности получают с техникой наклона фазы замкнутого цикла (см. раздел 8.2), которые требуют широкой полосы модуляции, в то время как для пьезоэлектрических модуляторов имеется опыт узких механических резонансов.
Многоволоконный подход дает очень хорошие наклонные характеристики, но фактор масштаба точности ограничен на практике около 1000 млн–1.
3.3.4. Гибридные архитектуры с интегральной оптикой:
Воспользуйтесь поиском по сайту:
