Pimenov_V_Yu__Volman_V_I__Muravtsov_A_D_Tekhni
.pdfрезонансного вентиля на коаксиальной линии и на симметричной полосковой линии соответственно.
В отрезке линии с диэлектриком возникает гибридная волна, имеющая кроме поперечной и продольную составляющую магнитного поля. При определенных условиях, подобрав степень заполнения линии диэлектриком, его форму и величину диэлектрической проницаемости, можно добиться того, что поляризация магнитного поля волны станет вблизи ферритовых пластин круговой. Поскольку отсутствует дисперсия основной волны в таких линиях, резонансные вентили на подобных линиях работают в широкой полосе частот (удается получить даже октавную полосу).
Общим недостатком резонансных вентилей являются сравнительно большие габариты и масса, что в значительной степени определяется постоянного магнита, поскольку для обеспечения поперечного резонанса в феррите требуется большое намагничивающее поле.
Вентили на "смещении поля". Такие вентили выгодно отличаются от резонансных меньшими габаритами и массой, поскольку согласно (14.44) величина намагничивающего поля в них в 1,5...2
раза меньше, чем в резонансных. Принцип действия основан на явлении смещения поля,
существующем в линиях передачи, содержащих намагниченные ферритовые элементы (см.14.3.3). В
прямоугольный волновод помещается достаточно толстая ферритовая пластина, как показано на рис. 14.57. Пластина намагничивается внешним постоянным магнитным полем Но, направленным вдоль оси Z. Обратная волна, распространяющаяся по , волноводу в направлении, противоположном направлению оси Y, феррите имеет поляризацию магнитного поля, совпадающую с Н+.
Магнитная проницаемость феррита для этой волны равна μ+. Для намагничивающих полей Но,
удовлетворяющих (14.44), μ+<0 и обратная волна не может распространяться в феррите. Она вытесняется из него и распространяется в виде поверхностной волны вдоль границы ферритвоздух.
Распределение амплитуды вектора Е обратной волны в поперечной плоскости волновода с ферритом показано на рис.14.57. Прямая волна, распространяющаяся по волноводу вдоль оси Y, в феррите имеет поляризацию магнитного поля,
совпадающую с Н-, поэтому магнитная проницаемость феррита для этой волны равна Однако ее структура в волноводе с ферритом достаточно сильно отличается от структуры волны Н10.Подбирая толщину ферритовой пластины и величину намагничивающего поля, добиваются для прямой волны распределения , поля в поперечной плоскости, показанного на рис.14.57. В этом случае для образования вентиля достаточно на левую граньферритовой пластины нанести тонкую поглощающую пленку,поглощающую обратную волну намного сильнее, чем прямую. На рис.14.58
изображена конструкция волноводного вентиля на
“смещении поля”. Ферритовая пластина с согласующими скосами приклеивается к стенке волновода.
Поглощающий слой, как правило, напыляется на феррит. Поскольку мощность обратной волны рассеивается в поглощающем слое, уровень рабочей мощности такого вентиля определяется качеством поглощающего слоя. Использование термостабильных нихромовых или оксидных поглощающих пленок позволяет применять такие вентили не только при низких, но и при средних уровнях передаваемой через вентиль мощности [59].
Эффект смещения поля существует и Р полосковых линиях, полностью заполненных поперечно намагниченным ферриром. На рис. 14.59 показано поперечное речение симметричной полосковой линии. В этом случае в области намагничивающих
полей, где μ+<0 и. прямая и обратная волны V вытесняются из линии с ферритом. Однако если для
прямой волны максимум электрического поля смещается к левому краю полоски, то для обратной -к
правому (рис.14.59). На рис. 14.60 показана конструкция вентиля на "смещении поля", построенная на основе симметричной полосковой линии. В данном случае используются ферритовые пластины с согласующими скосами, на правые боковые поверхности (по рисунку) которых нанесены поглощающие пленки. При этом обратная волна при прохождении вентиля будет испытывать большое затухание за счет рассеяния мощности в пленках, а прямая волна будет проходить через вентиль с небольшим затуханием.
Вентили на "смещении поля" отличаются простотой конструкции, надежностью и компактностью.
Однако они работают при сравнительно низких уровнях мощности.
Предельные вентили. Принцип действия таких вентилей основан на явлении невзаимной предельности, существующей в линиях передачи, заполненных поперечно намагниченными ферритами. Например, если вблизи правых (по рис.14.60) боковых поверхностей ферритовых пластин разместить металлическую пластину, имеющую контакт как с полоской, так и с экранирующими пластинами линии (рис.14.61), то образуется Ш- образная полосковая линия. Если параметры феррита и величину намагничивающего поля подобрать так, чтобы в линии с ферритом возник эффект смещения поля (см. рис.14.59), то в Ш- образной линии с намагниченным ферритом прямая волна, имеющая незначительное поле вблизи боковой металлической пластины, будет распространяться с небольшим затуханием. Обратная волна, имеющая максимум поля в месте расположения металлической пластины, распространяться по Ш- образной линии с ферритом не сможет, т.е. для обратной волны Ш- образная линия является предельной. Используя согласующие элементы (например, реактивные шлейфы) на входе и выходе Ш-образной линии с намагниченным ферритом, можно обеспечить полное рассеяние энергии отраженной волны в феррите и почти полное прохождение волны через вентиль. На рис.14.61 показана конструкция предельного вентиля на симметричной полосковой линии. Для согласования подводящих линий (симметричные полосковые линии) с Ш-образной линией, заполненной ферритом, использованы реактивные разомкнутые на конце шлейфы (отрезки симметричной полосковой линии). За счет конечной проводимости феррита и металлических
проводников Ш-образной линии удается рассеять энергию обратной волны.
Аналогичное явление существует и в прямоугольном волноводе, частично заполненном намагниченным ферритом. Это позволяет построить предельный вентиль на основе прямоугольного волновода [58].
Основное достоинство предельного вентиля по сравнению с резонансным и вентилем "на смещении поля" заключается в возможности получения больших затуханий обратной волны на единицу длины линии с ферритом (на 1 см удается получить затухание обратной волны более 30...40дБ). Это позволяет создавать весьма малогабаритные конструкции вентилей, обладающих малым весом и высокой надежностью.
Более подробно вопросы проектирования различных вентилей рассмотрены в [58-60]. 14.3.5. Ферритовые фазовращатели
В настоящее время разработано большое число различных фазовращателей, использующих эффекты в линиях передачи с намагниченными ферритами. В таких устройствах регулировка фазы осуществляется за счет изменения величины внешнего постоянного магнитного поля, что приводит к
изменению магнитной проницаемости феррита и, следовательно, к изменению фазовой скорости распространяющейся по ферриту волны.
Ферритовые фазовращатели делятся на взаимные и невзаимные. Фазовый сдвиг, вносимый взаимным фазовращателем, не зависит от направления распространения волны в нем. Невзаимный фазовращатель вносит фазовый сдвиг, зависящий от направления распространения волны.
Рассмотрим невзаимный фазовращатель на основе прямоугольного волновода (см. рис.14.52). Как и в случае резонансного вентиля, тонкая ферритовая пластина помещается в сечение с круговой поляризацией магнитного поля волны Н10 и намагничивается постоянным магнитным полем,
направленным вдоль оси Z- Однако величина Но выбирается так, чтобы избежать значительного поглощения волны Н10 в феррите. При этом по отношению к прямой и обратной волнам, имеющим поляризацию, совпадающую с поляризацией Н- и Н+ соответственно, намагниченный феррит ведет себя как среда с разной магнитной про-чицаемостью μ- и μ+ .В результате чего коэффициенты распространения прямой и обратной волн оказываются разными в отрезке волновода с ферритом,
имеющем длину l. При этом прямая
волна, пройдя такой отрезок, получит фазовый сдвиг а обратная волнаРазность фаз называется невзаимным фазовым сдвигом. Обычно в регулируемых фазовращателях используют вместо постоянных магнитов электромагниты. Плавно изменяя ток в обмотке электромагнита, удается плавно менять вносимый фазовый сдвиг.
Аналогично строятся конструкции невзаимных фиксированных илирегулируемых ферритовых фазовращателей на основе коаксиальной (см. рис.14.55) или полосковой (см. рис.14.56) линии.
Применение невзаимных ферритовых фазовращателей в фазированных антенных решетках,
работающих как в передающем режиме, так и в приемном, вызывает определенные трудности,
связанные с необходимостью специального переключения фазовращателей с режима передачи на режим приема. Поэтому, как правило, в схемах питания таких антенн используют взаимные ферритовые фазовращатели. Широко применяемая на практике конструкция взаимного фазовращателя показана на рис. 14.62. Круглый ферритовый стержень с согласующими скосами размещается вдоль оси прямоугольного волновода. Снаружи на волновод помещается управляющая обмотка электромагнита, создающего внешнее магнитное поле. Поскольку и прямая, и обратная волны на оси волновода имеют линейную поляризацию магнитного поля, то вносимый фазовый сдвиг не зависит от направления распространения волны по волноводу, а зависит от величины тока в обмотке, марки феррита и его геометрических размеров.
Вопросы проектирования как взаимных, так и невзаимных ферритовых фазовращателей на разных типах линий передачи I изложены в [58-61].
14.3.6. Циркуляторы
Y-циркулятор. Волноводный Y-циркулятор представляет собой Н- плоскостное Y-сочленение прямоугольных волноводов, в центре которого помещен ферритовый цилиндр (рис. 14.63). Все прямоугольные волноводы, образующие плечи тройника, рассчитаны на одноволновый режим работы. Внешнее магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (как показано на рисунке) либо электромагнитом, ориентировано параллельно оси цилиндра. Высота ферритового цилиндра обычно равна высоте волновода, но иногда используют ферриты несколько меньшей высоты. В Y-
циркуляторах, предназначенных для работы на высоком уровне мощности, для улучшения отвода тепла ферритовый цилиндр разрезают на две цилиндрические части, каждая из которых приклеивается к соответствующей широкой стенке волноводав центре Y-сочленения. Принцип действия Y-циркулятора заключается в следующем. Предположим, что в плече 1 циркулятора возбуждена волна Н10, распространяющаяся в направлении ферритового цилиндра. В результате дифракции волны на цилиндре возникают две волны, одна из которых (левая) обегает ферритовый цилиндр по часовой стрелке, а другая (правая) - против часовой стрелки (рис.14.64). Как было показано при рассмотрений резонансного ферритового вентиля, направления вращения вектора магнитного поля волны H10 в правой относительно центра половине волновода и в его левой половине противоположны.
Поэтому магнитная проницаемость ферритового цилиндра для волн, обегающих его справа и слева,
различна. Это обусловливает различие коэффициентов распространения для левой (β+) и правой (β-)
волн, т.е. проходя одинаковый путь l вдоль поверхности цилиндра волны получают разный фазовый сдвиг φ+= β + l и φ-= β -l соответственно. В результате на поверхности ферритового цилиндра устанавливается стоячая волна. При заданной частоте путем подбора марки феррита и его диаметра можно добиться, чтобы по окружности цилиндра укладывалась одна волна с двумя узлами
(рис.14.65). Положение узлов и пучностей этой волны зависит от величины намагничивающего поля Но, поскольку при изменении Но изменяются β+ и β -для волн, обегающих феррит слева и справа.
Величину Но подбирают так, чтобы один из узлов стоячей волны напряженности электрического поля располагался напротив плеча 3, как показано на рис. 14.65. В этом случае волна Н 10 в плече 3
не возбуждается, а возбуждаются волны высшего типа, например волна Н 20 Поэтому мощность в плечо 3 не ответвляется. Поскольку пучность электрического поля стоячей волны на феррите находится вблизи средней линии волновода плеча 2, то в плече 2 возбуждаектся волна Н10 и энергия из плеча 1 практически полностью проходит в плечо 2.
Аналогично можно показать, что при возбуждении плеча 2 вся энергия поступает в плечо 3, и т.д.
При изменении направления внешнего магнитного поля направление циркуляции меняется на обратное 1→3→2→1. Это связано с изменением фазовых сдвигов, получаемых волнами,
обегающими феррит слева и справа: для "левой" волны будет сдвиг φ-, а для "правой" φ+. При этом на поверхности феррита возникает стоячая волна, у которой узел электрического поля располагается напротив плеча 2.
Основными параметрами реальных циркуляторов являются: развязка вносимые потери и согласование со стороны каждого из плеч циркулятора, характеризуемое КСВ. Как показывают анализ и эксперимент, частотные характеристики Y-циркулятора имеют резонансный характер
(рис.14.66). При этом Lpa3 и LBH связаны с КСВ на входе каждого плеча: чем больше КСВ, тем меньше Lpa3 и больше LBH.Отметим, что LBH для циркулятора складывается из тепловых потерь в феррите и стенках тройника и потерь за счет отражения от входа. Конструкция, показанная на рис. 14.63, позволяет получить Lраз>20дБ в полосе 3...5% от средней частоты f0 [58]. Для увеличения рабочей полосы частот расширяют полосу согласования циркулятора на входе. Для этого используют согласующий трансформатор, выполненный в виде диэлектрического кольца,
надеваемого на ферритовый цилиндр (рис. 14.67).
На рис.14.68 показана конструкция микрополоскового Y-циркулятора. В центре микрополоскового
Y-сочленения располагается металлический диск, под которым в подложке размещен ферритовый диск, намагниченный вдоль своей оси (на рис. 14.68 магнитная система не показана). Обычно диаметр металлического диска или равен или несколько меньше диаметра ферритового диска.
Наиболее простой конструкция такого У-циркулятора получается, если в качестве подложки микрополосковой линии используется ненамагниченный феррит. В этом случае для образования циркулятора с
помощью внешнего магнита намагничивают часть подложки под металлическим диском. При этом целостность подложки не нарушается.
Принцип действия циркулятора (рис.14.68) такой же, как и в случае волноводного Y-циркулятора.
Расширение рабочей полосы частот циркулятора обычно обеспечивают, включая во все плечи согласующие четвертьволновые трансформаторы.
Вопросы проектирования волноводных и полосковых Y-циркуляторов изложены в [58, 59, 62].
Отметим, что из всех видов циркуляторов, существующих в настоящее время, Y-циркуляторы получили наибольшее распространение, что объясняется простотой их конструкции, малыми размерами и весом, а также возможностью использования в интегральных схемах.
Циркулятор на эффекте Фарадея. Конструкция циркулятора показана на рис.14.69. Все отрезки прямоугольного и круглого волноводов рассчитаны на одноволновый режим. Плечо 1 образовано отрезком прямоугольного волновода, который с помощью плавного перехода соединяется с отрезком круглого волновода. При возбуждении плеча 1 волна Н1о, распространяющаяся в этом плече, с
помощью плавного перехода трансформируется в волну Н11 круглого волновода с вертикально ориентированным вектором Е в центре поперечного сечения волновода. Прямоугольный волновод,
образующий плечо 3, составляет с круглым волноводом Т-тройник (см. рис.13.30). Благодаря такому расположению Т-тройника волна Н11, распространяющаяся по круглому волноводу, в плечо 3 не ответвляется (см. 13.4.2), проходит на вход отрезка круглого волновода, содержащего продольно намагниченный ферритовый стержень, расположенный на оси круглого волновода. Внешнее намагничивающее поле создается с помощью электромагнита. Параметры ферритового стержня и величина внешнего намагничивающего поля подобраны так, чтобы на средней частоте рабочего диапазона плоскость поляризации волны, прошедшей отрезок волновода с ферритом, повернулась бы на 45° вокруг оси волновода (явление Фарадея). Причем если вектор Но постоянного магнитного поля направлен от плеча 2 к плечу 1, то плоскость поляризации волны поворачивается по часовой стрелке, если смотреть вдоль Но. Плечи 2 и 4 на выходе циркулятора выполнены аналогично плечам
1 и 3. Однако Т-тройник, имеющий плечи 2 и 4, повернут на угол 45° по часовой стрелке вокруг оси круглого волновода относительно Т-тройника на входе с плечами 7 и 3, если смотреть от плеча 2 к
плечу 1. Поэтому волна Н 11с выхода отрезка волновода с ферритом будет с помощью плавного перехода трансформироваться в волну Н10, и энергия поступит в плечо 2. При этом энергия в плечо
4 ответвляться не будет, поскольку вектор Е волны Н11 направлен параллельно продольной оси прямоугольного волновода, образующего плечо 4. ,
Рассуждая аналогично, нетрудно показать, что при подаче сигнала в плечо 2 он выйдет в плечо 3 без ответвления в плечи 1 и 4, т.е. при указанном направлении постоянного магнитного поля устройство обеспечивает следующую циркуляции потока энергии: 1→2→3→4→1. При изменении направления внешнего поля ни обратное изменяется направление циркуляции потока энергии в устройстве
1→4→3→2→1. Это связано с тем, что плоскость поляризации волны, проходящей; отрезок волновода с ферритом, будет поворачиваться на 45° против часовой стрелки, если смотреть в направлении от плеча 2 к плечу 1.
Сложность конструкции, значительные габариты и относительная узкополосность обусловили сравнительно редкое применение подобного циркулятора.
Глава 15
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ (ВОЛС) 15.1. МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛС
Волоконно-оптические линии связи относятся к наиболее перспективным средствам передачи информации. В этих линиях в качестве переносчика сигналов используются световые волны,
передатчиками чаще всего служат полупроводниковые лазеры или светодиоды, а приемниками -
фотодиоды. При этом световые волны, модулированные полезным сигналом, передаются по волоконным световодам. К основным преимуществам ВОЛС по сравнению с известными системами связи относятся: широкополосность и высокая пропускная способность, малое затухание передаваемых сигналов, высокая защищенность от внешних помех, малые габариты и масса [41, 42, 63]. В ВОЛС, в зависимости от их назначения, могут использоваться разные типы волоконных световодов. Например, в широкополосных системах дальней связи (дальность более 100 км)
применяются одномодовые или градиентные волокна, а в системах со сравнительно узкой полосой пропускания и дальностью не более 10 км используют градиентные и многомодо-вые волокна.
Подобно СВЧ тракту ВОЛС в дополнение к источнику светового излучения, волоконно-оптическому кабелю и фотоприемнику содержит ряд элементов, которые осуществляют требуемую обработку передаваемых сигналов. Наиболее часто используют следующие элементы: разъемные и неразъемные соединители, разветвители, направленные ответвители, переключатели, модуляторы,
устройства, объединяющие оптические сигналы разных частот в общем световоде (мультиплексоры)
или разделяющие подобные сигналы (демультиплексоры), полосовые фильтры и др. Хотя по своим функциональным свойствам элементы оптического тракта во многом аналогичны элементам тракта СВЧ (см. гл.13-14), использование конструкций элементов тракта СВЧ в оптическом Диапазоне практически невозможно. Это связано с весьма малой величиной длины волны оптического излучения.
В оптическом диапазоне решающее значение при создании того или иного элемента имеет выбранная технология изготовления. Многие элементы и узлы изготавливаются по очень сложной технологии и почти на пределе технических возможностей, поскольку допуски на геометрические размеры составляют доли длины волны (доли микрометра). Следует отметить, что работа по созданию элементов оптического тракта еще далека от завершения. Поэтому ряд элементов разработан и освоен промышленностью, другие элементы находятся в стадии разработки. В
настоящее время многие элементы могут быть реализованы в трех различных конструктивных вариантах, называемых микрооптической, интегрально-оптической или волоконно-оптической конструкциями.
При создании устройства в микрооптическом варианте используют методы и элементы, аналогичные применяемым в технической оптике. В технической оптике, как правило, имеют дело со световым излучением, распространяющимся в воздушной среде. Обычно электромагнитную волну,
переносящую мощность светового излучения, представляют в виде светового пучка, состоящего из ряда лучей. С каждым лучом связывают определенную часть энергии, переносимую волной;
направление каждого луча совпадает с направлением перемещения световой энергии. Иногда такую волну называют лучевой. Как правило, некогерентный источник светового излучения (светодиод)
создает на своем выходе световой пучок, имеющий приближенно равномерное распределение амплитуд векторов поля в плоскости, перпендикулярной оси пучка. В свою очередь, световой пучок на выходе когерентного источника (лазера) имеет структуру поля, называемую распределением Гаусса, при котором амплитуда вектора Е уменьшается по определенному закону при увеличении расстояния от осу пучка (рис. 15.2). Такое излучение называют либо гауссовым пучком, либо гауссовой лучевой волной [42]; оно характеризуется величиной наибольшего сужения (талия пучка) 2и/0 и углом расхождения в дальней зоне 2©о, которые связаны формулой где λ-длина волны излучения в среде, где происходит распространение.
Для обработки световых пучков в технической оптике применяют разные элементы: линзы, призмы,
зеркала, дифракционные решетки и т.д. Например, с помощью линзы пучок параллельных лучей
(рис. 15.1) может быть сфокусирован (плоская электромагнитная волна преобразуется в сферическую), а расходящийся пучок может быть коллимирован, т.е. преобразован в пучок параллельных лучей. Подобная линза преобразует гауссов пучок с талией w1 в гауссов пучок с талией w2 (рис.15,2). При этом расстояния
z1 и z2 от линзы до плоскостей с наибольшим сужением пучков определяются по формулам F-
фокусное расстояние линзы,причем F>F0, знаки перед вторыми слагаемыми либо оба положительные, либо оба отрицательные. В оптических трактах, где используются волоконные или планарные световоды, поперечные размеры световых пучков весьма малы, поэтому и элементы для их обработки должны иметь малые размеры (порядка миллиметра). Вследствие этого конструкция оптических устройств для ВОЛС, состоящая из ряда элементов с малыми размерами, получила название микрооптическая. При изготовлении таких конструкций применяют достаточно сложные технологии, обеспечивающие необходимую точность изготовления столь малых объектов. Весьма не просты сборка и настройка подобных конструкций, поскольку их отдельные элементы должны быть установлены в нужном месте и должным образом ориентированы; кроме того, должна быть обеспечена необходимая жесткость и прочность всей конструкции. Сложность изготовления возрастает при увеличении числа элементов в микрооптической конструкции.
Отмеченные трудности при изготовлении микрооптических конструкций устройств удается отчасти преодолеть при использовании интегрально-оптических конструкций. В этом случае оптическое устройство или его часть, состоящие из ряда элементов, соединенных отрезками линий передачи,
объединяются на общей подложке и изготавливаются одновременно (подобно интегральной схеме).
В результате образуется миниатюрная оптическая конструкция, обеспечивающая весьма плотную компоновку элементов, высокую прочность и надежность, низкий уровень потерь при передаче оптических сигналов, поскольку удается использовать минимально возможные длины соединительных отрезков. Как правило, интегрально-оптические конструкции элементов ВОЛС строятся на основе или планарного световода, или разных типов полосковых световодов. Планарную конструкцию должныиметь и все элементы, составляющие оптическую схему. Отсутствие в настоящее время полного набора таких элементов затрудняет интеграцию на общей подложке
достаточно больших и сложных оптических схем. Кроме того, трудности в использовании интегрально-оптических конструкций в ВОЛС состоят в обеспечении эффективной стыковки выходов таких схем с волоконными световодами.
Наиболее удобными для использования в оптических трактах ВОЛС являются элементы, имеющие волоконно-оптическую конструкцию. Подобные элементы конструируются непосредственно внутри волоконного световода. В настоящее время это наименее разработанная область техники: создано весьма малое количество элементов, имеющих такую конструкцию [42].
Отметим, что, хотя для большинства используемых устройств оптического тракта существует несколько возможных вариантов конструктивной реализации, для каждого конкретного устройства существует оптимальный вариант реализации, при котором обеспечиваются лучшие параметры и технологичность.
Так как фазовая скорость, длина волны, коэффициент ослабления и другие характеристики электромагнитной волны зависят от свойств среды, то, изменяя диэлектрическую или магнитную проницаемость среды, можно влиять на распространение волны. Это явление используется в управляющих оптических устройствах, таких как переключатели, модуляторы, регулируемые делители сигналов, фазовращатели и др. Параметры некоторых сред изменяются при приложении к ним постоянного электрического поля (электрооптический эффект), постоянного магнитного поля
(магнитооптический эффект), или механического воздействия (пьезооптический эффект). Наиболее ярко электрооптический эффект проявляется в диэлектриках и полупроводниках с кристаллической структурой. Подобная структура придает кристаллам анизотропные свойства (коэффициент преломления п такой среды зависит от направления распространения световой волны). Анизотропия
. бывает естественная, проявляющаяся в отсутствии внешнего постоянного электрического поля, и
наведенная, проявляющаяся только при приложении внешнего электрического поля. В анизотропной среде диэлектрическая проницаемость εr=п2 становится тензором (см.1.2.3). Если оси координат совпадают с главными осями кристалла, то его оптические свойства описываются тремя показателями преломления пх, пу, nz. Влияние такого кристалла на распространение электромагнитной волны учитывают с помощью эллипсоида показателей преломления (рис. 15.3),
называемого оптической индикатрисой и описываемого уравнением [42] (х/пх)2+ + (y/ny)2+(z/nz)2=1.
Пусть волна распространяется, как показано на рис. 15.3. Плоскость, проходящая через начало координат перпендикулярно вектору Пойнтинга, пересечет эллипсоид по эллипсу с полуосями п1 и
п2. Если вектор Е волны параллелен полуоси п2 коэффициент преломления кристалла для такой волны равен п2. Для волны, вектор Е которой параллелен полуоси п2, коэффициент преломления равен п2. Под воздействием внешнего электрического поля изменяются ориентация в пространстве и величина полуосей эллипсоида показателей преломления. Например, кристалл
LiNbO3 является одноосным [42]. Для него пх = nу = п0, a nz = ne; эллипсоид является симметричным относительно оптической оси Z. Приложение постоянного электрического поля Ео вдоль оси Z не изменяет ориентацию эллипсоида в пространстве, а изменяет лишь величины п0 и пe
на величину Таким образом, коэффициент преломления п волны зависит от ее направления распространения, поляризации и величины внешнего электрического поля Ео. В общем случае зависимость п от Ео определяется формулой где r-линейный электрооптический коэффициент
(коэффициент Поккельса), R-квадратичный электрооптический коэффициент (коэффициент Керра).
Как правило, при конструировании управляющих оптических элементов используют линейный электрооптический эффект, называемый эффектом Поккельса [65] и применяют материалы, где этот эффект наиболее ярко выражен [42]: танталат лития LiTaОз, ниобат лития LINbO3, арсенид галлия
GaAs и др.
Как было показано в гл.14, намагниченный феррит обладает анизотропными свойствами, его магнитная проницаемость становится тензором. При этом величина отдельных компонент тензора изменяется при изменении внешнего магнитного поля Но (магнитооптический эффект). Наибольшее применение на практике при создании элементов ВОЛС находят ферриты типа железоиттриевого граната [41]. Использование подобного материала позволяет строить оптические элементы на основе эффекта Фарадея либо использовать ферромагнитный резонанс (оптические вентили) (см.14.3).
Акустооптический эффект заключается в изменении показателя преломления вещества при деформациях, вызванных механическим воздействием, например сжатием или растяжением. Обычно для создания сжатий или разряжений в веществе возбуждают ультразвуковые колебания (звуковые волны). Наиболее широкое применение на практике находят следующие акустооптические материалы: арсенид галлия (GaAs), плавленый кварц, германий и др [64].
15.2. УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА ЭНЕРГИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Оптический тракт ВОЛС содержит специальные устройства (оптические соединители) для
соединения разных элементов друг с другом. Основные требования к ним: малые оптические потери,
надежность, простота сборки, низкая стоимость.
Соединители волоконных световодов чаще всего строятся или на непосредственном торцевом соединении световодов, или с применением коллимирующих и фокусирующих элементов.
Независимо от оптической схемы соединители делятся на два класса: неразъемные и разъемные.
Неразъемные соединители обеспечивают минимально возможные оптические потери, в свою очередь, разъемные соединители позволяют осуществлять многоразовое соединение различных устройств. При непосредственном соединении волоконных световодов их специально обработанные торцы соединяются друг с другом. В неразъемных соединителях (рис.15.4) удаляется часть оболочки,
а сердечники сращиваются друг с другом с помощью сплавления, сварки или склеивания. Корпус соединителя 1, в который иногда помещают отрезки металлических или керамических стержней 2,
обеспечивает необходимую прочность соединения. Для качественного соединения волокон в разъемных соединителях их торцевые поверхности полируют и шлифуют, стараясь сделать их плоскими и параллельными друг другу (перпендикулярными оси волокон). После этого соединяемые концы закрепляются в армирующих наконечниках, которые обеспечивают требуемое совмещение световодов, прочное и надежное закрепление в соединителе [41].
При торцевом соединении одинаковых световодов оптические потери, в соединителе зависят от взаимного расположения световодов (рис.15.5) и от отражений от торцов световодов. Оценить зависимость оптических потерь от величины радиального смещения ∆r/а, от углового рассогласования Θ и от величины зазора ∆z/a (рис.15.5) можно по формулам и графикам,
приведенным в [41, 63]. Это позволяет выбрать необходимую точность совмещения волокон.
Например, для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ
радиальное смещение должно быть ∆r/ ≤ 0,2, что для многомодо-вых волокон с 2а≈50 мкм требует
точность совмещения не хуже 5 мкм, а для одномодовых с 2а≈7 мкм-не хуже 0,7 мкм; угловое рассогласование на Θ= 1° приводит в многомодовых световодах к потерям порядка 0,3 дБ, а в одномодовых-0,8 дБ; оптические потери менее 0,5 дБ обеспечиваются в мнгогомодовых световодах при зазоре ∆r/a < 0,7, а в одномодовых при ∆r/a< 7. Соединители на основе торцевого соединения требуют при изготовлении весьма жестких допусков на положение соединяемых волокон. В
настоящее время технология изготовления неразъемных соединителей хорошо отработана и обеспечивает потери порядка 0,1...0,ЗдБ. Однако жесткие допуски затрудняют создание качественных разъемных соединителей. Как правило, для обеспечения малых оптических потерь в разъемных соединителях используются микролинзы. Основным достоинством соединителей такого типа является слабая зависимость оптических потерь от взаимного расположения микролинз, жестко связанных с волоконными световодами. На рис. 15.6 показаны некоторые схемы оптических соединителей с микролинзами. В этом случае излучение, выходящее из волоконного световода 1 с
помощью линзы 2 преобразуется в широкий параллельный световой пучок (коллимируется),
который с помощью второй фокусирующей линзы 3 вводится в выходной световод. Наиболее широкое применение нашли сферические (рис.15.5, а) и градиентные (рис.15.6, б) стержневые линзы.
В схемах с линзами для получения малых оптических потерь требуется весьма высокая точность совмещения торцов световодов с фокусами линз. Например, в случае соединения многомодовых световодов для обеспечения оптических потерь менее 0,5 дБ требуется точность совмещения ±5 мкм
[41]. Кроме того, в схемах со сферическими линзами нельзя крепить волокно на поверхности линзы,
поскольку фокус линзы находится на некотором расстоянии от нее. Градиентная стержневая линза представляет собой отрезок цилиндрического стержня, выполненного из стекла, показатель преломления которого уменьшается от оси стержня к его боковой поверхности, как в градиентном световоде (см. 10.7). Распространение световых пучков в таком стержне аналогично распространению в градиентном световоде. При определенной длине отрезок стержня ведет себя как линза, причем фокус такой линзы находится на торцевой поверхности стержня. Это позволяет крепить волоконный световод непосредственно к торцу стержня.
Применяемые в настоящее время оптические соединители с микролинзами имеют величину оптических потерь 0,5...2дБ[41].
Важной характеристикой световода является так называемая числовая апертура NA. Ее необходимо учитывать при стыковке и возбуждении волокон. Числовая апертура волокна равна NA=sin(φmax), φmax -наибольший угол падения лучей на торец световода (рис.15.7), при котором преломленный
(вошедший в сердечник) луч испытывает полное отражение от границы раздела сердечник-оболочка.
Лучи, падающие на торец под углами φ< φmax, образуют лучи, распространяющиеся внутри сердечника (лучи 1 и 2 на рис.15.7). Если луч падает на торец под углом φ< φmax, то преломленный луч попадает на оболочку под углом падения меньше критического (луч 3 на рис.15.7), что приводит к вытеканию энергии из сердечника в оболочку. Используя законы Снеллиуса, нетрудно показать,
что При соединении разных волокон на оптические потери в соединителе кроме рассмотренных выше
факторов, оказывают влияние отличия волокон в числовой апертуре, диаметре сердечников и в количестве распространяющихся волн [41, 42]. Например, если по входному световоду мощность
P1переносится М1 волнами, то при идеальном соединении его с выходным световодом, по которому