RU2316029C1

RU2316029C1 - Оптический многослойный фильтр

Info

Publication number: RU2316029C1
Application number: RU2006127976/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Гончаров; Борис Алексеевич Лапшин; Валерий Андреевич Петраков; Роман Валерьевич Политыкин; Аркадий Александрович Шмидт
Original assignee: Военная академия связи
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-01-27

Abstract

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к оптическим многослойным фильтрам (ОМСФ). Оптический многослойный фильтр состоит из N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления, а оптическая толщина каждого слоя составляет λ/4, где λ - средняя длина волны полосы пропускания оптического фильтра. При этом оптический многослойный фильтр выполнен состоящим из входного оптического трансформатора, избирательной части и выходного оптического трансформатора. Технический результат - разработка оптического многослойного фильтра, обеспечивающего снижение уровня искажений сигнала до заданной величины для широкого класса частотных характеристик затухания фильтра в заданной полосе пропускания и увеличение затухания в полосе задерживания до заданной величины, что обусловит расширение области возможного использования ОМСФ. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области техники волоконно-оптических систем передачи, в частности к оптическим многослойным фильтрам, входящим в состав устройств мультиплексирования по длине волны для образования множества спектральных каналов при работе по волоконно-оптическим кабелям связи.

Известны оптические многослойные фильтры (ОМСФ) интерференционного типа, работающие в качестве полосовых или заграждающих фильтров.

Известен полосовой светофильтр (см. патент РФ № 2079861 МПК 6 G02B 5/28, опубл. 20.05.1997 г.). Полосовой светофильтр содержит подложку и многослойное интерференционное покрытие из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления. В качестве материала подложки использован пленочный светофильтр, имеющий характеристики фильтра, отрезающего коротковолновую область пропускания.

Недостатком данного полосового фильтра является относительно высокий уровень искажений сигнала, обусловленный неоптимальным выбором последовательности слоев в структуре многослойного покрытия.

Известно отражающее покрытие, используемое в качестве заграждающего фильтра, (см. пат. РФ № 2256942 МПК 7 G02B 5/08, G02B 5/28, G02B 5/26, опубл. 20.07.2005 г.). Заграждающий фильтр состоит из диэлектрических слоев А, В и С, где слой А выполнен из материала с низким показателем преломления, слой В - из материала со средним показателем преломления и слой С - из материала с высоким показателем преломления и толщина слоев составляет λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины интервала с высоким отражением, а последовательность слоев имеет вид (CBCABA)^KCDC, где К≥1 - целое число.

Недостатком данного заграждающего фильтра является относительно высокий уровень искажений сигнала, обусловленный неоптимальным выбором последовательности слоев в структуре многослойного покрытия.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является оптический многослойный фильтр (многослойная интерференционная система для дальней инфракрасной области спектра) (см. авт. св. СССР № 1626916 МПК 5 G02B 5/28, опубл. 15.02.1988 г., заявл. 08.12.1988 г.). Оптический многослойный фильтр - прототип - состоит из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления. Выполнен из полимерного материала, причем с целью уменьшения полосы пропускания в коротковолновой области спектра, по крайней мере, один слой с высоким показателем преломления выполнен в виде совокупности слоев с высоким и низким показателями преломления.

Недостатком известного оптического многослойного фильтра является: относительно высокий уровень искажений сигнала, обусловленный неоптимальным выбором последовательности слоев в структуре многослойного покрытия, что ограничивает область применения прототипа.

Целью изобретения является разработка оптического многослойного фильтра, обеспечивающего снижение уровня искажений сигнала до заданной величины для широкого класса частотных характеристик затухания фильтра (Чебышева, Баттерворта, Бесселя и т.п.) в заданной полосе пропускания и увеличения затухания в полосе задерживания до заданной величины, что обусловит расширение области возможного использования ОМСФ.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ОМСФ, включающем N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления, а толщина каждого слоя составляет четверть средней длины волны полосы пропускания ОМСФ, он выполнен состоящим из входного оптического трансформатора (Вх.ОТ), избирательной части (ИЧ) и выходного оптического трансформатора (Вых.ОТ). Вх.ОТ, ИЧ и Вых.ОТ состоят соответственно из N_вх=2s, N_ИЧ=4k и N_вых=2r чередующихся слоев, выполненных из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления. Значения чисел k, s и r вычисляют по формулам

где Δf и f₀ - соответственно полоса пропускания и средняя частота фильтра. Новым также является то, что показатели преломления примыкающих друг другу слоев Вх.ОТ и ИЧ, а также примыкающих друг к другу слоев ИЧ и Вых.ОТ одинаковы, причем чередующиеся слои ИЧ выполнены из материалов с показателями преломления, зеркально-симметричными относительно центра избирательной части (ИЧ). Первый слой Вх.ОТ и последний слой Вых.ОТ подключены к подложкам.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве достигается оптимальная последовательность чередования слоев из материалов с низким и высоким показателями преломления, что обеспечивает снижение уровня искажений сигнала до заданной величины для широкого класса полосовых и заграждающих ОМСФ с предварительно заданными значениями полосы пропускания и полосы задерживания.

Проведенный анализ патентных и специальных источников информации позволил установить, что в них отсутствуют аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем существенным признакам заявленного решения, что указывает на соответствие заявленного оптического многослойного фильтра условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях знаний с целью выявления в них отличительных признаков заявленного объекта показали, что они не следуют явным образом из известных источников информации. Также не выявлена известность влияния отличительных существенных признаков на достижение заявленного результата, что указывает на соответствие заявленного объекта условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленный ОМСФ поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая структура (топология) фильтра;

на фиг.2 - профиль показателей преломления материала слоев ОМСФ и подложек;

на фиг.3 - частотная зависимость затухания ОМСФ с характеристикой Чебышева;

на фиг.4 - частотная характеристика затухания по результатам экспериментального расчета ОМСФ;

на фиг.5 - топологическая структура экспериментального образца ОМСФ.

Заявленный ОМСФ, показанный на фиг.1, состоит из Вх.ОТ 1, ИЧ 2, Вых.ОТ 3 и подложек 5, 6. Вх.ОТ 1, ИЧ 2 и Вых.ОТ 3 состоят соответственно из N_вх=2s, N_ич=4k и N_вых=2r чередующихся слоев 7 и 8 соответственно с высоким n_в и низким n_н значениями показателей преломления материалов, из которых они выполнены.

На фиг.1 слои с высоким показателем преломления n_в обозначены символом "в" и заштрихованы, а с низким n_н - символом "н".

Каждый из слоев "в" и "н" имеет толщину d, равную четверти средней длины волны λ полосы пропускания ОМСФ, т.е. d=0,25λ.

Значения s, k и r, входящие в выражения для N_вх, N_ич и N_вых, вычисляют по формулам (1)-(4). Показатели преломления материалов, примыкающих друг другу слоев Вх.ОТ и ИЧ 2 (сечение а-а' на фиг.1), а также показатели преломления материалов, примыкающих друг к другу слоев ИЧ 2 и Вых.ОТ 3 (сечение b-b'), выбраны одинаковыми. Причем слои ИЧ 2 выполнены из материалов с показателями преломления, зеркально-симметричными относительно центра (сечение с-с') ИЧ 2.

Профиль показателей преломления материалов с высоким "в" - 7 и низким "н" - 8 значениями, из которых выполнены слои ОМСФ, показан на фиг.2.

Подложки 5 и 6 выполнены из сплошного диэлектрического материала с показателем преломления n_o, значение которого выбрано в промежутке между значениями n_в и n_н, т.е. n_в>n₀>n_н. Подложки 5 и 6 предназначены для согласованного ввода в ОМСФ и вывода из ОМСФ сигнала (оптического луча). Подложки 5 и 6 выполняют роль вспомогательных элементов между собственно ОМСФ и передающими оптическими средами. В качестве подложек 5 и 6 могут быть использованы оптические волокна, стержни, пластины, линзы и т.п.

Первый слой Вх.ОТ 1 "в" 7, примыкающий к подложке 5, выполнен из материала с n_в, т.е. имеет место чередование слоев

"в"→"н"→"в"→...→"н"→"в"→"н".

Такая топология Вх.ОТ 1 может быть обозначена как

где s - количество пар слоев с n_в и n_н Вх.ОТ 1 ОМСФ.

Аналогично в ИЧ 2 имеет место чередование слоев

"н"→"в"→н"→...→"в"→"н"→"в"→"в"→н"→"в"→...→н"→"в"→"н", топология которой может быть обозначена как

где k - число пар слоев с n_в и n_н половины ИЧ 2 ОМСФ.

Аналогично в Вых.ОТ 3 имеет место чередование слоев

"н"→"в"→"н"→...→"в"→н"→"в",

топология которого может быть обозначена как

где r - число пар слоев с n_в и n_н Вых.ОТ 3 ОМСФ.

Таким образом, общую топологию (вн)_∑ заявленного ОМСФ можно представить условной формулой

Профиль значений показателей преломления ОМСФ изображен на фиг.1, включает показатель преломления подложки со стороны входа фильтра n₀, показатели преломления n_в и n_н чередующихся слоев ОМСФ и показатель преломления подложки со стороны выхода фильтра n₀ (фиг.2).

Заявленное устройство работает следующим образом. Оптическое многослойное покрытие в качестве ОМСФ можно проиллюстрировать СВЧ-моделями, представляющими собой каскадное (цепочечное) соединение четвертьволновых отрезков линий с чередующейся последовательностью отрезков с высоким и низким значениями волновых сопротивлений, совокупность которых образует цепочечный СВЧ-фильтр с заданными частотными характеристиками затухания (Чебышева, Баттерворта, Бесселя и т.п.)

Минимальной оптической фильтрующей единицей является исходное полузвено фильтра в виде двухслойного покрытия из слоев с высоким n_в и низким n_н показателями преломления и толщиной каждого из этих слоев d=0,25λ. Указанное исходное полузвено обладает свойствами как фильтра, так и трансформатора показателей преломления, при этом ширина полосы пропускания двухслойного фильтра-трансформатора зависит от отношения ν показателей преломления ν=n_н/n_в. Известно (см., например, Б.А.Лапшин. Теория и расчет фильтров и трансформаторов на отрезках передающих линий. СПб.: Наука, 1998, 181 с.), что при v стремящемся к единице (ν→1) полоса пропускания увеличивается, а полоса задерживания уменьшается. При ν<<1 полоса пропускания уменьшается, а полоса задерживания увеличивается.

Практически реализуемые ОМСФ являются сверхузкополосными, так как их относительная полоса пропускания Δf₀/f₀ в оптическом диапазоне составляет порядка (0,02...0,05)%. Для изготовления таких исходных двухслойных сверхузкополосных полузвеньев фильтров (ПЗФ) необходимо, чтобы высокий показатель

был порядка 10⁴...10⁸, что практически нереализуемо. При этом коэффициент трансформации такого ПЗФ, определяемый обратной величиной ν^пзф, т.е. величиной

, будет иметь тот же порядок, т.е. 1/ν^пзф=10⁴...10⁸. В то же время практически реализуемые максимальные значения показателей преломления различных материалов, используемых в ОМСФ, не превышают, как правило, величины 4...5. Это условие накладывает ограничения на реализуемость фильтра.

С целью построения сверхузкополосного (высокоизбирательного) ПЗФ с заданными реализуемыми показателями преломления слоев n_в и n_н в заявленном ОМСФ обеспечивается преобразование топологии ПЗФ с очень большим коэффициентом трансформации 1/ν^пзф в топологию каскадного соединения k трансформаторов в ИЧ 2 (вн)^k с одинаковыми реализуемыми коэффициентами трансформации, значение которых определяются как

где ν^пзф - отношение показателей преломления низкого n_н и нереализуемого высокого

; k определяют с помощью формул (1-4). В этом случае каждое новое ПЗФ с уменьшенным коэффициентом трансформации в k раз становится более широкополосным, но за счет сложения избирательности k широкополосных ПЗФ их общая суммарная избирательность будет восстановлена до исходной. На фиг.1 и 2 топология преобразованного ПЗФ представлена топологией половины избирательной части ИЧ 2 ОМСФ, т.е. (вн)^k.

В заявленном ОМСФ на фиг.1 и 2 ИЧ 2 выполнена в виде двух зеркально-симметричных преобразованных ПЗФ с топологией (вн)^k(нв)^k. Такое решение обусловлено двумя причинами: во-первых, согласованное соединение двух ПЗФ позволяет получить симметричное звено фильтра (ИЧ 2) с увеличенной в два раза избирательностью; во-вторых, упрощается решение задачи согласования входа и выхода ИЧ 2 с подложками с помощью соответственно Вх.ОТ 1 и Вых.ОТ 3. Вх.ОТ 1 выполнен из s пар чередующихся слоев из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления в топологии (вн)^s. Вых.ОТ 3 выполнен из r пар чередующихся слоев из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления в топологии (нв)^r.

На фиг.3 показана расчетная частотная характеристика затухания изображенного на фиг.1 ОМСФ Чебышева с неравномерностью затухания Δа в рабочей полосе пропускания, ограниченной частотами f₀₁ и f₀₂ и гарантированным затуханием a_е в рабочей полосе задерживания с граничными частотами f_e1 и f_e2.

Изготовление сверхузкополосного оптического многослойного фильтра для выделения одного из спектральных каналов волоконно-оптической системы передачи с мультиплексированием по длине волны можно показать на примере ОМСФ Чебышева.

Пусть необходимо получить полосовой ОМСФ Чебышева со следующими характеристиками (см. фиг.4):

неравномерность затухания Δа=0,4648 дБ в рабочей полосе пропускания с граничными частотами f₀₁=193,49845 ТГц (1550,4 нм) и f₀₂=193,59834 ТГц (1549,6 нм);

гарантированное затухание a_e=30 дБ в рабочей полосе задерживания с граничными частотами f_e1=193,39865 ТГц (1551,2 нм) и f_e2=193,69804 ТГц (1548,8 нм);

из допустимого набора материалов с различными значениями показателей преломления выбраны и заданы материалы чередующихся слоев с n_н=1,45, n_в=2,068 и материал подложек с n₀=1,52.

С учетом значений f₀₁ и f₀₂ имеем f₀=(f₀₁+f₀₂)/2=193,54840 ТГц. Рассчитанные по формулам (1)-(4) числа k, s и r приобретают значения

Тогда общая оптимальная топология ОМСФ (вн)_∑ может быть представлена в виде (фиг.5):

(вн)_∑=(вн)⁹(нв)¹⁸(вн)¹⁸(нв)⁹ _.

Общее количество N слоев многослойного покрытия с толщиной каждого слоя d=λ/4=1550,5/4=387,6 нм составляет N=2·9+4·18+2·9=108 слоя, а общая толщина L_ОМСФ многослойного покрытия L_ОМСФ=N·d=41861 нм. Подложки 5 и 6 ОМСФ выполнены из прозрачных стержней с n₀=1,52.

Приведенный пример показывает на возможность построения ОМСФ с требуемыми параметрами Δa и a_е при использовании материалов с реализуемыми значениями n_в и n_н. Также очевидна возможность формирования оптимальной топологии ОМСФ для широкого класса полосовых и заграждающих фильтров. Отмеченное указывает, что при использовании заявленного ОМСФ возможно достижение сформулированного технического результата.

Claims

Оптический многослойный фильтр, состоящий из N диэлектрических слоев, выполненных из материалов с отличающимися показателями преломления, а оптическая толщина каждого слоя составляет λ/4, где λ - средняя длина волны полосы пропускания оптического фильтра, отличающийся тем, что оптический многослойный фильтр выполнен состоящим из входного оптического трансформатора, избирательной части и выходного оптического трансформатора, состоящих соответственно из N_вх=2·s, N_изб=4·k и N_вых=2·r чередующихся слоев, выполненных из материалов с низким n_н и высоким n_в показателями преломления, где s, k и r вычисляют по формулам

s=r=k/2,

k=lgq/lgv,

где v=n_н/n_в,
a Δf₀ и f₀ - соответственно полоса пропускания и средняя частота фильтра, показатели преломления примыкающих друг к другу слоев входного оптического трансформатора и избирательной части, а также примыкающих друг к другу слоев избирательной части и выходного оптического трансформатора одинаковы, а чередующиеся слои избирательной части выполнены из материалов с показателями преломления зеркально-симметричными относительно центра избирательной части, причем к первому слою входного оптического трансформатора и последнему слою выходного оптического трансформатора подключены подложки.