RU222877U1

RU222877U1 - Оптический разветвитель

Info

Publication number: RU222877U1
Application number: RU2023130453U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Викторович Грудинин; Александр Вячеславович Сюй; Алексей Владимирович Арсенин
Filing date: 2023-11-23
Publication date: 2024-01-22

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и предназначена для разделения оптических пучков. Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В заявленном оптическом делителе работающий на основе метода инверсного проектирования делитель мощности позволяет разделить один световой пучок на 3-9 пучков с возможностью регулирования интенсивности и поляризации излучения. Кроме того, вывод пучков может быть реализован по схеме Y-типа, T-типа или типа «звезда». Оптический разветвитель для разделения оптических пучков включает в себя: входной порт для приема входного пучка, делитель мощности, представляющий собой объемную трехмерную структуру, включающую сегменты возмущений с различными показателями преломления, выходные порты для вывода выходных пучков, и отличается тем, что выходные порты разнесены в поперечном сечении выходной поверхности объемной трехмерной структуры с образованием многоугольника. Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей оптического разветвителя за счёт выполнения делителя мощности в виде объемной трехмерной структуры, работающей на основе метода инверсного проектирования. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и предназначена для разделения оптических пучков.

В волоконно-оптической технике часто возникают задачи отвода части оптического излучения из основного канала передачи (например, для целей мониторинга, измерения или приема сигнала обратной связи, предназначенного для управления уровнем мощности источника излучения), а также разделения или объединения потоков оптического излучения (например, при использовании технологии волнового мультиплексирования (WDM). Такие задачи решаются с помощью оптических разветвителей. Так, разветвитель Y-типа с одним входом и двумя выходами, предназначенный для ответвления заданной части мощности оптического излучения, называется ответвителем, или же разветвителем Т-типа. Разветвитель, Y-типа с одним входным и более чем двумя выходными оптическими портами называется звездообразным (или разветвителем типа «звезда»).

Известен оптический разветвитель для разделения оптических пучков, который включает в себя входной порт, сконфигурированный для приема входного пучка с входной мощностью, делитель мощности, представляющий собой плоскую двумерную структуру, включающую сегменты возмущений, расположенные в первой области, и вторую область направляющего материала, имеющую первый показатель преломления, причем каждый сегмент имеет второй показатель преломления, причем первая область сконфигурирована для разделения входного пучка на первый пучок и второй луч, при этом и вторая область настроена на раздельное направление первого и второго лучей, при этом первый показатель преломления больше, чем второй показатель преломления, а выходные порты, включая первый и второй выходные порты, подключены к делителю мощности для соответственно приема и передачи первого и второго лучей [Patent WO 2021176868 A1 KojimaKeisuke, TangYingheng, AkinoToshiaki, WangYe.Generative model for inverse design of materials, devices, and structures. 03.03.2020].

Оптический разветвитель для разделения оптических пучков работает следующим образом. Оптический пучок через входной волноводный порт попадает на кремниевую пластинку, представляющую собой фотонный кристалл с сеткой из 20×20 отверстий и множеством дефектов. За счет оптимального расположения дефектов световой пучок проходя через пластинку и рассеиваясь на дефектах может быть разделен между двумя выходными волноводными портами с заданным соотношением интенсивностей.

Достоинствами оптического разветвителя для разделения оптических пучков являются разделение оптического пучка на два с заданной интенсивностью, относительно небольшие потери (около 6 дБ), маленький линейный размер устройства – 2,6×2,6 мкм.

Недостатком оптического разветвителя для разделения оптических пучков является ограничение двумя выходными портами.

Это обусловлено:

- во-первых, использованием планарных волноводов и плоской двумерной структурой, содержащей два сегмента;

- во-вторых, использованием малого числа параметров оптимизации (400 штук).

Проблема заключается в ограниченном количестве выходных портов из-за использования планарных волноводов и плоской двумерной структуры, работающей на основе метода инверсного проектирования. Инверсное проектирование заключается в решении задачи в обратном порядке с подбором оптимальной структуры во всем пространстве параметров. Обратный порядок подразумевает, что в начале задаётся конечная цель (распределение интенсивностей на выходе из структуры), а затем с помощью различных модернизированных алгоритмов градиентного спуска создаётся метасреда, выполняющая поставленную задачу.

Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в разработке оптического разветвителя для разделения оптических пучков с увеличенным числом выходных портов с минимальными потерями.

Для решения поставленной задачи разработан оптический разветвитель для разделения оптических пучков, включающий в себя: входной порт для приема входного пучка, делитель мощности, представляющий собой объемную трехмерную структуру, включающую сегменты возмущений с различными показателями преломления, выходные порты для вывода выходных пучков, отличающееся тем, что выходные порты, разнесены в поперечном сечении выходной поверхности объемной трехмерной структуры с образованием многоугольника.

Оптический разветвитель отличается тем, что делитель мощности сконфигурирован посредством метода инверсного проектирования, который задает интенсивность пучков на выходе из портов таким образом, что интенсивность может быть одинаковая или различная, а также поляризация пучков на выходе из портов может быть одинаковая или различная. Кроме того, делитель мощности сконфигурирован таким образом, что ввод и вывод пучков может быть реализован по схеме Y-типа, T-типа или типа «звезда».

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей оптического разветвителя за счёт выполнения делителя мощности в виде объемной трехмерной структуры, работающей на основе метода инверсного проектирования. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что делитель мощности, работающий на основе метода инверсного проектирования, позволяет разделить один световой пучок на 3-9 пучков с возможностью регулирования интенсивности и поляризации излучения. Кроме того, вывод пучков может быть реализован по схеме Y-типа, T-типа или типа «звезда».

На фиг. 1 представлена принципиальная схема оптического разветвителя Y-типа и T-типа;

на фиг. 2 показано распределение интенсивности на выходе из портов;

на фиг. 3 представлен вид поляризации на выходе из портов.

Суть предлагаемой полезной модели заключается в использовании для разделения оптических пучков с заданным распределением интенсивности и заданными поляризациями делителя мощности, представляющего собой объемную трехмерную структуру, полученную методами инверсного проектирования с неупорядочным распределением показателя преломления сегментов. Например, разделение оптических пучков может быть выполнено по Y-типу (фиг. 1, а) или Т-типу (фиг. 1, б). Оптический пучок, проходя от входного оптоволокна через объемную трехмерную неупорядоченную структуру и рассеиваясь на различных дефектах, связанных со скачком показателя преломления, распределяется по выходным оптическим волокнам с заданным, в соответствии с конечной задачей, распределением интенсивностей (фиг. 2, а-в) и поляризаций (фиг. 3, а, б) в выходных портах делителя мощности. Интенсивность на выходе из портов может распределяться любым заданным способом, например линейно (фиг. 2, а), одинаково во всех выходных портах (фиг. 2, б), одинаково в некоторых выходных портах (фиг. 2, в), а также в любой другой вариации. Поляризация излучения на выходе из портов может распределяться любым заданным способом, например одинаково в некоторых выходных портах (фиг. 3, а) или одинаково во всех выходных портах (фиг. 3, б), а также в любой другой вариации.

Отличием заявляемого технического решения от прототипа является использование делителя мощности, представляющего собой объемную трехмерную структуру, выполненную с возможностью регулирования интенсивности и поляризации излучения и разделения светового пучка на 3-9 пучков, а также замена волноводных портов на оптоволокно, что обеспечивает достижение технического результата.

Ниже приведенные примеры иллюстрируют, но не исчерпывают предлагаемый способ.

Пример 1. Структура, представляющая собой куб из трёх материалов – оксид кремния, кремний и воздух, показатели преломления 1,51, 3,48 и 1,00 соответственно, имеющая 1 входной порт и 9 выходных, выходные порты находятся на одной стороне куба и расположены в виде квадратной сетки 3×3, входные и выходные порты располагаются на противоположных сторонах куба. Линейные размеры куба 400×400×400 мкм. Входные и выходные волокна – это одномодовые волокна с диаметром сердцевины 9 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. Выходные порты имеют случайные различные поляризации и одинаковую интенсивность с погрешностью менее 4,0%, потери в структуре, связанные с рассеянием, составляют 0,67%.

Пример 2. Структура, представляющая собой параллелепипед из двух материалов – оксид кремния и кремний, показатели преломления 1,51, 3,48, соответственно, имеющая 1 входной порт и 9 выходных, выходные порты находятся на одной стороне параллелепипеда и расположены в виде квадратной сетки 3×3, входные и выходные порты располагаются на примыкающих сторонах параллелепипеда. Линейные размеры параллелепипеда 400×400×600 мкм. Входные и выходные волокна – одномодовые с диметром сердцевины 9 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. Выходные порты имеют случайные различные поляризации и различную, предварительно заданную интенсивность, с погрешностью менее 8,3%, потери в структуре, связанные с рассеянием составляют 1,47%.

Пример 3. Структура, представляющая собой куб из двух материалов – оксид кремния и кремний, показатели преломления 1,51, 3,48 соответственно, имеющая 1 входной порт и 4 выходных, выходные порты находятся на одной стороне куба и расположены в виде квадратной сетки 2×2, входные и выходные порты располагаются на противоположных сторонах куба. Линейные размеры куба 260×260×260 мкм. Входные и выходные волокна – одномодовые с диметром сердцевины 9 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. Выходные порты имеют одинаковую поляризацию и одинаковую интенсивность с погрешностью менее 2,3%, потери в структуре, связанные с рассеянием составляют 0,19%.

Пример 4. Структура, представляющая собой цилиндр из двух материалов – оксид кремния и кремний, показатели преломления 1,51, 3,48 соответственно, имеющая 1 входной порт и 5 выходных, выходные порты находятся на разных торцах цилиндра, отличных от торца с входным портом. Линейные размеры цилиндра: высота 500 мкм, диаметр 250 мкм. Входные и выходные волокна – одномодовые с диметром сердцевины 9 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. Выходные порты имеют случайную поляризацию и различную, предварительно заданную интенсивность, с погрешностью менее 3,5%, потери в структуре, связанные с рассеянием составляют 0,89%.

Claims

1. Оптический разветвитель для разделения оптических пучков, состоящий из оптически соединенных входного порта для приема входного пучка, делителя мощности и выходных портов для вывода выходных пучков, отличающийся тем, что делитель мощности выполнен в виде объемной трехмерной структуры, состоящей из не менее двух сегментов возмущений с различными показателями преломления, и выполнен с возможностью регулирования интенсивности и поляризации излучения и разделения светового пучка на 3-9 пучков, входной порт и выходные порты выполнены из оптоволокна и взаимно расположены на различных поверхностях делителя мощности, при этом выходные порты разнесены в поперечном сечении выходной поверхности объемной трехмерной структуры с образованием многоугольника.

2. Оптический разветвитель по п.1, отличающийся тем, что объемная трехмерная структура сконфигурирована посредством метода инверсного проектирования.

3. Оптический разветвитель по п.1, отличающийся тем, что делитель мощности сконфигурирован таким образом, что ввод и вывод пучков реализован по схеме Y-типа, или T-типа, или типа «звезда».