Введение к работе
Актуальность работы. Современное развитие общества требует интенсивного увеличения объема передаваемой информации, которое становится возможным благодаря использованию волоконно-оптических систем передачи (ВОСП).
Достигнутые результаты в производстве оптических волоконных световодов с низкими потерями (^0.5 дБ/км в окнах прозрачности волокна вблизи длин волн 1.3 мкм и 1.55 мкм) открыли путь к практической реализации систем.царедачи различного назначения, тенденция развития которых состоит в переходе от много-модовых к одномодовым ВОСП с частотным объединением/разделением оптических сигналов
Внедрение ВОСП требует разработки их элементной базы -устройств, обеспечивающих модуляцию, объединение/разделение оптических сигналов или фильтрацию, переключение и другие функциональные преобразования оптических сигналов.
Одним из основных функциональных устройств ВОСП являются частотные объединители/разделители оптических сигналов (частотные фильтры), которые позволяют использовать полосу пропускания волокна путем объединения в одном волокне ряда оптических сиг -налов, каждый из которых имеет свою несущую длину волны.
Объединение и разделение оптических сигналов возможно осуществить либо с помощью спектрально-селективных устройств на основе дифракционных решеток или диэлектрических многопленочннх структур, которые, используются в многомодовых ВОСП, либо.с помощью волоконно-оптических или интегрально-оптических частотных фильтров на основе двух связанных неидектичных световодов, которые используются в одномодовых ВОСП для объединения/разделения широкополосных сигналов в различных окнах прозрачности волокна.
Частотные фильтры на связанных неидентичных одномодовых световодах хорошо стыкуются с одномодовыми волокнами, их электрические параметры стабильны при изменении температуры и других внешних воздействиях. Однако процесс изготовления волоконно-оптических частотных фильтров содержит ряд трудно контролируемых операций (травление двух одномодовых неидентичных волоконных световодов, сближение их сердцевин, сплавление
-2-световодов и их вытяжка, обеспечение требуемых радиусов изгиба световодов и др.), что приводит к большой отбраковке готовых образцов. Подчеркнем особо, что эти фильтры не позволяют каким-либо способом или регулировкой компенсировать погрешности электрических и геометрических параметров, возникшие при их изготовлении.
При изготовлении интегрально-оптических частотных фильтров на двух связанных неидентичных параллельных одномодовых световодах используется хорошо разработанная технология получения электронных интегральных схем, что выгодно отличает эти фильтры от волоконно-оптических. Кроме того, весьма существенным является то обстоятельство, что выполнение интегрально-оптических фильтров из электрооптических материалов позволяет электрическим путем компенсировать погрешности их электрических и геометрических параметров, появившиеся при изготовлении. Эти фильтры ухе исследовались в ряде теоретических и экспериментальных работ. Однако остается много нерешенных вопросов по выбору параметров связанных неидентичных параллельных световодов, методике проектирования на их основе интегрально-оптических частотных фильтров, использованию фазирующихся на электрооптическом эффекте методов компенсации технологических погрешностей изготовления этих фильтров, их электрическим характеристикам и области их применения в ВОСП. Эти вопросы обусловливаются, с одной стороны, сложностью технологии производства таких устройств, а с другой, - отсутствием инженерных катодов их проектирования. Последнее обстоятельство не позволяет проводить всесторонний анализ частотных фильтров, их характеристики (ширина полосы пропускания, минимальная разность между несущими ' длинами волн объединяемых/разделяемых сигналов, требования к точности изготовления и др.) мало исследованы. Кроме того, параметры частотных фильтров связаны сложной и многопараметрической зависимостью с характеристиками технологического цикла и материала, из которого они изготавливаются, а также с основными геометрическими размерами устройства. Все ето делает актуальным проведение теоретического анализа интегрально-оптических частотных фильтров на двух связанных неидентичных параллельных световодах и разработку на его основе методики проектирования этих фильтров.
Цель и задачи исследования! Основной цельр диссертационной работы являются проведение теоретического анализа и разработка методики проектирования интегрально-оптических частотных фильтров на двух связанных неидентичных параллелыпх световодах. Поставленная цель достигается последовательным' решением следупцих задач:
рассмотрение и анализ важных для инженерной практики вопросов, вытекающих из теории волн двух связанных неидентичных параллельных одномодовых световодов (коэффициенты передачи мощности, коэффициент связи, длина участка связи световодов, на которой происходит полный переход мощности из'одного световода в другой, нормированный параметр расстройки и т.д. ^:
анализ и оценка допусков на точность ичготовления частотного фильтра;
исследование основанных на электрооптическом эффекте методов, позволяющих компенсировать неточности изготовления;
разработка методики определения технологических, геометрических и электрических параметров двух неидентичных параллельных световодов, образующих частотный фильтр;
осуществление метода расчета полосы пропускания частотного фильтра и минимального спектрального интервала меяду несущими длинами волн объединяемых/разделяемых сигналов;
разработка на основе перечисленных выше задач методики проектирования частотных фильтров на двух связанных неидентичных параллельных световодах;
обсуждение области применения исследуемых интегрально--оптичвских частотных фильтров в ВОСП.
Методы исследования. При работе над диссертацией были использованы теория связанных волн, метода решения дифференциальных уравнений, различные методы вычислительной математики.
Научная новизна диссертации определяется решением поставленной научно-технической задачи, заключающейся в проведении анализа и разработке методики проектирования интегрально--оптических частотных фильтров на двух связанных неидентичных параллельных диффузионных канальных световодах.
Новыми результатами являются:
- соотношения, определяющие коэффициенты передачи мощности
в системе двух связанных неидентичннх параллельных световодов с
-4-секционными др - электродами;
частотные характеристики фильтров с секционными др -электродами; установлено, что применение др - электродов увеличивает ширину полосы пропускания и уровень боковых лепестков частотных фильтров;
анализ двухзвенного частотного фильтра;
методика проектирования интегрально-оптических частотных фильтров на двух связанных неидентичных параллельных диффузионных канальных световодах из Ti:LiNbO,. которая позволяет определить все технологические, геометрические и электрические параметры фильтра.
Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в том, что разработанная методика проектирования позволяет определить все электрические и геометрические параметры интегрально-оптического частотного фильтра, а также технологические параметры, знание которых необходимо для его практического изготовления. Удобство спроектированного частотного фильтра состоит в том, что при его производстве используется хорошо разработанная технология изготовления электронных интегральных схем, и в возможности подстройки электрическим путем частоты ответвляемого сигнала за счет использования электрооптического эффекта в ниобате лития. Кроме того, применение в этом фильтре секционных Др -электродов позволяет электрическим путем компенсировать неизбежные при современном уровне технологии неточности изготовления, что очень важно для практической реализации устройства.
Разработанная инженерная методика проектировании рассматриваемых интегрально-оптических частотных фильтров позволяет значительно уменьшить объем экспериментальных исследований, которые предшествуют началу их промышленного изготовления.
Реализация результатов работы, Основные теоретические и практические результаты диссертационной, работы использованы в НИР, что удостоверяется актом о внедрении.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 45 (январь 1992 г.) и 4б-й (январь 1993 г.) научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЭИС
им. проф.М.А. Бонч-Вруевича (на очередной 47-й конференции, которая состоится в январе 1994 г., также запланирован доклад по теме диссертационной работы).'
Основные результаты диссертации опубликованы в 4 печатных работах (пятая работа находится в печати).
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Совместно с к.т.н.,доц. Ъ.И. Фальковским проведены анализ и обсуждение полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Анализ коэффициентов передачи мощности в системе двух связанных неидентичных параллельных световодов.
-
Исследование изготовленных из алектрооптического материала частотных фильтров с одиночными и секционными др -Електродами.
-
Частотные характеристики фильтров с электродами.
-
Методика проектирования интегрально-оптических частотных фильтров на двух связаышх неидектичных параллельных диффузионных канальных световодах из TirloNbo.,.
-
Применение исследуемых интегрально-оптических частотных фильтров в волоконно-оптических системах передачи.
Структура и обьем работы. Диссертеционнэя работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 133 страницы машинописного текста, 41 рисунок и б таблиц, список литературы - 73 наименования. Общий объем диссертационной работы - 161 страница.
