RU2018162C1

RU2018162C1 - Spectral multiplexer-divider for channels with diffraction grating

Info

Publication number: RU2018162C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Смирнов; А.Б. Цибуля
Original assignee: Центральный Научно-Исследовательский Институт Связи
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1994-08-15

Abstract

FIELD: communication engineering. SUBSTANCE: spectral channel multiplexer-divider has lens, diffraction grating, unit of fiber light conductor ends placed in lens focal plane, triple prism one of whose rear sides mounts diffraction grating; units of fiber light conductor ends are spaced apart; grating slits are parallel to one of triple prism edges. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к связи и может найти применение в системе оптической связи со спектральным разделением каналов. The invention relates to communication and may find application in an optical communication system with spectral separation of channels.

Спектральное разделение каналов позволяет более полно использовать оптическую полосу пропускания световодов. При этом по одному волоконному световоду одновременно передается несколько сигналов, использующих различные несущие оптические частоты (длины волн). На передающем и приемном концах, а также на регенераторах таких линий размещаются спектральные уплотнители и делители каналов, задачей которых является соответственно сведение различных спектральных несущих в один световод и их выделение из световода. The spectral separation of channels allows more complete use of the optical bandwidth of the optical fibers. In this case, several signals using different carrier optical frequencies (wavelengths) are simultaneously transmitted along one fiber waveguide. At the transmitting and receiving ends, as well as on the regenerators of such lines, spectral seals and channel dividers are placed, the task of which is respectively to reduce the various spectral carriers into one fiber and to separate them from the fiber.

Большая часть спектральных уплотнителей и делителей каналов изготавливается на основе дифракционной решетки по автоколлимационной схеме [1]. Most of the spectral seals and channel dividers are made on the basis of the diffraction grating according to the autocollimation scheme [1].

Недостатком таких спектральных уплотнителей-делителей является необходимость использования сравнительного большого количества относительно сложных в изготовлении и дорогих конструкций делителей и уплотнителей. The disadvantage of such spectral compactors-dividers is the need to use a relatively large number of relatively difficult to manufacture and expensive designs of dividers and sealants.

В качестве прототипа выбран делитель, в котором торцы волоконных световодов размещены в фокальной плоскости объекта. Излучение различных оптических несущих из входного волоконного световода, пришедшего из линии, коллимируется объективом, дифрагирует на решетке и снова попадает в объектив. Поскольку после дифракции лучи, соответствующие различным несущим, идут под разными углами к оси объекта, то объектив создает на торцах разделительных световодов ряд изображений, каждое из которых образовано лучами, соответствующими только одной из несущих. Таким образом, в каждое из выходных волокон входит своя оптическая спектральная несущая, идущая на свой фотоприемник [2]. As a prototype, a divider is chosen, in which the ends of the optical fibers are placed in the focal plane of the object. The radiation of various optical carriers from the input fiber, coming from the line, is collimated by the lens, diffracted by the array, and again hits the lens. Since after diffraction, the rays corresponding to different carriers go at different angles to the axis of the object, the lens creates a series of images at the ends of the dividing optical fibers, each of which is formed by rays corresponding to only one of the carriers. Thus, each of the output fibers has its own optical spectral carrier going to its photodetector [2].

Принцип работы уплотнителя каналов и его конструкция не отличаются от схемы делителя. Необходимо лишь изменить направления распространения лучей на обратные, поэтому делитель можно использовать и как уплотнитель каналов. Функции объектива в описанной схеме заключаются в коллимации излучения, вышедшего из входного световода (или световодов в случае уплотнителя). Эти функции может выполнять не только объектив, но и любой другой фокусирующий элемент. The principle of operation of the channel seal and its design do not differ from the divider circuit. It is only necessary to change the direction of propagation of the rays to the opposite, so the divider can be used as a channel seal. The functions of the lens in the described circuit are to collimate the radiation emerging from the input optical fiber (or optical fibers in the case of a sealant). These functions can be performed not only by the lens, but also by any other focusing element.

Общим недостатком этих схем являются высокие требования к точности установки волокон в фокальной плоскости объектива, а также необходимость использования сравнительно большого количества относительно сложных в изготовлении и дорогих конструкций делителей и уплотнителей. Так на концах линии рядом находятся две идентичные конструкции: делитель на световоде, пришедшим из линии, и уплотнитель на световоде, уходящим в линию. В регенераторе находятся рядом четыре идентичных конструкции: два делителя и два уплотнителя. A common drawback of these schemes is the high requirements for the accuracy of the installation of fibers in the focal plane of the lens, as well as the need to use a relatively large number of relatively difficult to manufacture and expensive designs of dividers and seals. So at the ends of the line next to each other are two identical structures: a divider on the optical fiber coming from the line, and a sealant on the optical fiber going into the line. Four identical designs are located in the regenerator: two dividers and two seals.

Цель изобретения - снижение требований к точности установки торцов волокон в фокальной плоскости объектива и сокращение количества этих устройств, используемых в линии связи. The purpose of the invention is to reduce the accuracy requirements for the installation of the ends of the fibers in the focal plane of the lens and to reduce the number of these devices used in the communication line.

Сущность изобретения заключается в том, что в спектральный уплотнитель-делитель каналов, содержащий объектив, дифракционную решетку и размещенный в фокальной плоскости объектива блок торцов волоконных световодов, введена триппель-призма, при этом дифракционная решетка размещена на одной из отражающих граней триппель-призмы, причем штрихи решетки параллельны одному из ее ребер, а в фокальной плоскости объектива размещены блоки торцов волоконных световодов, смещенных друг относительно друга. The essence of the invention lies in the fact that in the spectral seal-divider of channels containing a lens, a diffraction grating and a block of ends of optical fibers placed in the focal plane of the lens, a triple prism is introduced, while the diffraction grating is placed on one of the reflective faces of the triple prism, the bars of the lattice are parallel to one of its edges, and in the focal plane of the lens there are blocks of ends of the optical fibers displaced from each other.

На фиг.1 изображен предлагаемый уплотнитель-делитель. Figure 1 shows the proposed seal-divider.

Уплотнитель-делитель содержит объектив 1, триппель-призму 2, на одной из задних граней которой расположена (нанесена) дифракционная решетка 3, блок торцов выходных волоконных световодов 4, входной световод 5. Торцы всех волоконных световодов расположены в фокальной плоскости объектива. The seal-divider contains a lens 1, a triple-prism 2, on one of the rear faces of which a diffraction grating 3 is located, a block of ends of the output fiber optical fibers 4, an input fiber 5. The ends of all fiber optical fibers are located in the focal plane of the lens.

На фиг.2 показано изменение хода лучей, внесенное дифракционной решеткой. Figure 2 shows the change in the path of the rays introduced by the diffraction grating.

Работает уплотнитель-делитель следующим образом. The seal-divider works as follows.

Излучение, выходящее из расположенного в фокальной плоскости объектива 1 торца входного световода 5, коллимируется объективом 1 и направляется на триппель-призму 2. На одной из задних граней триппель-призмы 2 нанесена отражающая дифракционная решетка 3. При отсутствии дифракционной решетки 3 излучение отразилось бы от триппель-призмы в том же направлении, откуда оно пришло, и после фокусировки объективом 1 попало бы на тот же торец входного световода 5, независимо от положения, которое занимает этот торец в фокальной плоскости объектива. The radiation emerging from the end of the input fiber 5 located in the focal plane of the lens 1 is collimated by the lens 1 and sent to the triple prism 2. A reflective diffraction grating 3 is deposited on one of the rear faces of the triple prism 2. In the absence of a diffraction grating 3, the radiation would be reflected from a triple prism in the same direction from which it came, and after focusing by the lens 1, it would fall on the same end of the input fiber 5, regardless of the position that this end occupies in the focal plane of the lens.

Изменение хода лучей, внесенное дифракционной решеткой следующее (см. фиг. 2) начало координат расположено в вершине триппель-призмы, а координатные оси Х, Y и Z направлены по ее ребрам. Тогда отражающие грани триппель-призмы совпадают с координатными плоскостями. На одной из задних граней триппель-призмы нанесена дифракционная решетка. Не нарушая общности, считаем, что это - грань Х. Штрихи на решетке расположены параллельному одному из ребер триппель-призмы. Не нарушая общности, считаем, что это - ребро Z, т.е. главное сечение решетки совпадает с гранью Z. The change in the ray path introduced by the diffraction grating is the following (see Fig. 2) the origin is located at the apex of the triple prism, and the coordinate axes X, Y and Z are directed along its edges. Then the reflecting faces of the triple prisms coincide with the coordinate planes. A diffraction grating is deposited on one of the rear faces of the triple prism. Without loss of generality, we believe that this is the face of H. The bars on the lattice are parallel to one of the edges of the triple prism. Without loss of generality, we assume that this is an edge of Z, i.e. the main cross section of the lattice coincides with the face Z.

Луч АО, падающий на триппель-призму (см. фиг.3), задает его направляющими косинусами cosα , cos β и cos γ . Направляющий косинус луча - это косинус угла между вектором, направленным вдоль хода луча, и направлением соответствующей координатной оси - Х, Y или Z. В случае, когда координатные плоскости совпадают с отражающими плоскостями, формулы отражения в векторном виде существенно упрощаются. В частности, при отражении луча от граней Y или Z, не несущих дифракционной решетки, соответствующий направляющий косинус сохраняет свою абсолютную величину и изменяет свой знак, т.е. cos β = - cos β , или cos γ = - cos γ . Значения остальных двух направляющих косинусов вообще не изменяется. The AO ray incident on the triple prism (see Fig. 3) sets it with the guiding cosines cosα, cos β, and cos γ. The directing cosine of the beam is the cosine of the angle between the vector directed along the course of the beam and the direction of the corresponding coordinate axis - X, Y or Z. In the case when the coordinate planes coincide with the reflecting planes, the reflection formulas in vector form are greatly simplified. In particular, when a ray is reflected from faces Y or Z that do not carry a diffraction grating, the corresponding direction cosine retains its absolute value and changes its sign, i.e. cos β = - cos β, or cos γ = - cos γ. The values of the other two guide cosines do not change at all.

Формулы, описывающие изменение угловых координат луча при дифракции на решетке приведены в книге Пейсахсона
sin φ + sin φ^I = K λ / (d cos ε ; ε^I = -ε ;
(1) где φ и φ^I - группы, образуемые с нормалью к решетке (осью Х) проекциями лучей падающего и дифрагировавшего пучков на главное сечение решетки (грань Z);
К - порядок дифракции; λ - длина волны излучения;
d - постоянная решетки (расстояние между ее штрихами);
ε - угол, образуемый падающим лучом АО с главным сечением решетки.Formulas describing the change in the angular coordinates of the beam during diffraction by a grating are given in the book of Paysachson
sin φ + sin φ ^I = K λ / (d cos ε; ε ^I = -ε;
(1) where φ and φ ^I are the groups formed with the normal to the lattice (X axis) by the projections of the rays of the incident and diffracted beams on the main section of the lattice (face Z);
K is the diffraction order; λ is the radiation wavelength;
d is the lattice constant (the distance between its strokes);
ε is the angle formed by the incident ray AO with the main cross-section of the lattice.

Связываем углы φ и ε с направляющими косинусами луча в нашей системе координат. Из фиг.3 следует, что
Cosε = AZO/AO =

(т.к. cos α = AAX/AO и cos β = AYP/AO). Отсюда видно, что cos ε не зависит от знаков направляющих косинусов луча, т. е. от того, отражался ли перед этим луч от граней Y и (или) Z. Из фиг.3 также следует, что
sin φ = AYO/AZO = cos β /cos ε (2)
Из этой формы следует, что в зависимости от того, отражался ли луч перед приходом на дифракционную pешетку от грани Y (от знака угла β ) зависит только знак угла φ , т.е. знак первого слагаемого левой части формулы (1). Знак правой части этой формулы определяется знаком рабочего порядка дифракции К, который в решетке с углом блеска автоматически изменяется с изменением знака угла φ . Отсюда следует, что отражение от грани Y перед приходом на дифракционную решетку изменяет только знак второго слагаемого левой части формулы (1). Это, в свою очередь, приводит только к изменению знака φ^I , но не его абсолютной величины.We connect the angles φ and ε with the guiding cosines of the ray in our coordinate system. From figure 3 it follows that
Cosε = AZO / AO =

(because cos α = AAX / AO and cos β = AYP / AO). It can be seen from this that cos ε does not depend on the signs of the guiding cosines of the ray, i.e., whether the ray was reflected before this from the faces Y and (or) Z. From figure 3 it also follows that
sin φ = AYO / AZO = cos β / cos ε (2)
It follows from this form that, depending on whether the beam was reflected before arrival on the diffraction grating, only the sign of the angle φ depends on the face Y (on the sign of the angle β), i.e. the sign of the first term on the left side of formula (1). The sign of the right-hand side of this formula is determined by the sign of the diffraction order K, which in the lattice with a brightness angle automatically changes with a change in the sign of the angle φ. It follows that the reflection from the face Y before arriving at the diffraction grating changes only the sign of the second term in the left-hand side of formula (1). This, in turn, leads only to a change in the sign of φ ^I , but not to its absolute value.

Из фиг.3 следует, что так как ε^I = - ε , то γ^I = γ
cos β^I = - BYO/BO = = -(BYO/BZO)/(BZO/BO)=cos ε ˙ sin φ^I
Подставляя это соотношение в (2) и (1) получаем
cos β^I = cos β + K λ /d (3)
cos α^I при отражении от дифракционной решетки, как видно из фиг.2, изменяет свой знак, а его величина определяется из соотношения
cos α^I = 1 - cos² β^I - cos²
Таким образом, после отражения от дифракционной решетки абсолютная величина всех углов наклона луча не зависит от порядка отражения от граней триппель-призмы. Различия же в знаках направляющих косинусов лучей далее устраняются, так как лучи, ранее не отражающиеся от граней Y и (или) Z, в дальнейшем отражаются от них. Поэтому после отражения от всех граней все части пучка с одной и той же длиной волны имеют одно и то же направление и, следовательно, пройдя через объектив, собираются в одной и той же точке его фокальной плоскости. Лучи с другой длиной волны собираются в другой точке, т.е. таким образом осуществляется спектральное разделение каналов.From figure 3 it follows that since ε ^I = - ε, then γ ^I = γ
cos β ^I = - BYO / BO = = - (BYO / BZO) / (BZO / BO) = cos ε ˙ sin φ ^I
Substituting this relation into (2) and (1) we obtain
cos β ^I = cos β + K λ / d (3)
cos α ^I when reflected from the diffraction grating, as can be seen from figure 2, changes its sign, and its value is determined from the ratio
cos α ^I = 1 - cos ² β ^I - cos ²
Thus, after reflection from the diffraction grating, the absolute value of all beam tilt angles does not depend on the order of reflection from the faces of the triple prism. Differences in the signs of the guiding cosines of the rays are then eliminated, since rays that were not previously reflected from the faces Y and (or) Z are subsequently reflected from them. Therefore, after reflection from all faces, all parts of the beam with the same wavelength have the same direction and, therefore, passing through the lens, are collected at the same point in its focal plane. Rays with a different wavelength are collected at another point, i.e. thus, spectral separation of the channels is carried out.

Кроме того, появляется возможность разместить в фокальной плоскости несколько аналогичных линеек торцов волокон взаимно смещенных друг относительно друга, каждая из которых в совокупности с объективом, триппель-призмой и дифракционной решеткой независимо решает задачу разделения или уплотнения спектральных каналов, т.е. одно устройство выполняет одновременно функции нескольких уплотнителей и делителей каналов и может использоваться вместо нескольких отдельных устройств. In addition, it becomes possible to place several similar lines of fiber ends mutually offset from each other in the focal plane, each of which, together with the lens, triple prism and diffraction grating, independently solves the problem of separation or densification of spectral channels, i.e. one device simultaneously performs the functions of several seals and channel dividers and can be used instead of several separate devices.

Claims

1. A SPECTRAL SEALER-DIVIDER OF CHANNELS WITH A DIFFRACTION LATTICE containing an objective, an echeletle type diffraction grating and a fiber optic end-face block placed in the focal plane of the lens, characterized in that a triple-prism is additionally inserted into it, while the diffraction grating is placed on one of the reflective faces of the triple prism, and the bars of the lattice parallel to one of the edges of the triple prism.

2. The seal-divider according to claim 1, characterized in that it introduces several additional blocks of the ends of the optical fibers placed in the focal plane of the lens with offset relative to each other.