Пассивные компоненты систем оптической связи: Методические указания по курсу ''Физические основы оптической связи''. Часть II

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«РОСТОСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по курсу ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ (специальность 013800 радиофизика и электроника)

Часть II ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Ростов-на-Дону 2006

Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования

Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю.М.

Ответственный редактор доктор физико-математических наук Латуш Е.Л.

Компьютерный набор и верстка ассистента Грибниковой Е.И.

Печатается в соответствии с решением кафедры ПЭКМ физического факультета РГУ, протокол №6 от ноября 2005 г.

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ Аннотация Рассмотрены параметры пассивных устройств волоконно-оптических систем передачи: коэффициент стоячей волны, затухание, рабочий диапазон частот, допустимый уровень мощности. Описаны устройства ввода и вывода сигнала, способы соединения волокон, различные оптические разветвители − древовидный, звездообразный и их параметры, аттенюаторы и изоляторы. Анализируется плотное волновое мультиплексирование, позволяющее пропускать множество сигналов, которые распространяются по волокну, не взаимодействуя между собой. Описаны устройства волнового уплотнения, их принципы действия, параметры и применение. 1 ПАРАМЕТРЫ В состав ВОСП для её нормального функционирования входят разнообразные оптические пассивные устройства: ввода и вывода оптического сигнала, соединители, ослабители, изоляторы, поляризационные контроллеры, разветвители (ответвители, мультиплексоры, демультиплексоры) и фильтры. Общими для всех этих устройств являются следующие параметры: − коэффициент стоячей волны; − вносимое затухание; − рабочий диапазон длин волн или частот; − допустимый уровень мощности. Коэффициент стоячей волны (КСВ) определяет степень согласования устройства с оптическим трактом. Он связан с коэффициентом отражения Г следующим соотношением:

1 + Г& ρ= , 1 − Г& где Г& =

(1)

Е& отр Е& пад ; 3

|Еотр| и |Епад| – амплитуды напряжённости электрического поля отражённой и падающей волн соответственно. Пределами измерения КСВ являются единица и бесконечность, поскольку величина

Г&

может меняться в пределах от нуля до единицы. Полному

отражению от нагрузки соответствует бесконечно большая величина КСВ. При идеальном согласовании с нагрузкой отражённая волна отсутствует, т. е. Е& отр =0 , Г& =0 и ρ=1. Обеспечение согласования в линиях передачи является одной из наиболее распространённых и важных задач. Рассогласование приводит к дополнительным потерям и искажениям сигнала. Последнее иллюстрируется на рисунке 1. В результате повторного отражения на выходе оптического устройства, показанного в виде прямоугольника, суммарный сигнал EΣ не повторяет исходный прямоугольный сигнал. На рисунке 1,б видно, что в данном случае импульс уширяется. Епад t

tи tи падающая волна ЕΣ = Еп+ ЕВ вторичная падающая волна

t

t tи а)

б)

а − волны в несогласованном

оптическом устройстве;

б − временные диаграммы Рисунок 1 − Искажение импульса из-за повторного отражения Вносимое затухание L,дБ определяется логарифмом мощностей на входе Рвх и выходе Рвых оптического устройства: 4

отношения

L = 10 lg (Pвх Рвых ) .

(2)

Вносимое затухание обусловлено поглощением, рассеянием и отражением оптических волн. Рабочим называют диапазон длин волн λmin − λmax или диапазон частот

f min − f max , в котором основные параметры устройств не выходят за пределы, заданные техническими условиями. Допустимым считают тот уровень мощности PДОП , при котором либо основные параметры не выходят за пределы, заданные техническими условиями, либо не происходят необратимые явления. Не исключено, что при прохождении сигнала мощностью выше допустимого уровня устройство выйдет из строя. Другие параметры для конкретных устройств определяются исходя из их функционального назначения.

2 УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА Устройства ввода и вывода должны обеспечивать передачу максимально возможной мощности от источников света в световод и из световода в фотоприёмник. Конструкция указанных устройств определяется характеристиками как излучателей и фотоприёмников, так и световодов. Светодиоды могут быть с низкой яркостью и большой площадью излучения (типичные значения S=0, - 5,6мм2) и, наоборот, с высокой яркостью и малой излучающей поверхностью. Последние (а также инжекционные лазеры) можно непосредственно присоединять к световоду в стык. Потери на ввод излучения в многомодовый световод (ММС):

Lвн ≈η + Lотр + Lи , дБм

(3)

где η = 10 lg (Ри Рсв ) дБм,−эффективность ввода;

Ри , Вт − мощность источника излучения; Рсв , Вт −мощность введённая в световод;

Lотр , дБм − потери за счет отражения; 5

Lи , дБм − потери на излучение на длине установления стационарного состояния мод. Наилучшее и стабильное согласование источника излучения (показатель преломления nЧ ) с многомодовым световодом достигается за счёт покрытия поверхности источника излучения четвертьволновым слоем с

nЧ =

n И ⋅ n CB

(4)

и заполнением зазора иммерсионной жидкостью с nи . При этом потери на отражение пренебрежимо малы. Одной из проблем ввода излучения в одномодовый световод (ОМС) является несовпадение распределений полей излучаемой лазером волны и основной моды световода НЕ11. Это несовпадение требует, чтобы устройство ввода было выполнено с большой степенью точности. Одним из наиболее распространенных устройств ввода является коническое устройство (рисунок 2). 1

3

4

2

l1 5

1 − источник излучения; 2 − одномодовое оптическое волокно; 3 − сферическая линза; 4 − оптический конус; 5 − сердечник. Рисунок 2 −Устройство ввода излучения в ОВ При больших диаметрах торцевой поверхности конуса 1…2мм могут появиться моды высших типов. С целью их исключения между торцом конуса и лазером вводится линза. Такое устройство обладает затуханием порядка 1,6 − 2,2дБ.

6

3 ОПТИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛИ Одной из самых важных задач, которые необходимо решить при построении любой оптической системы связи является задача обеспечения надежного соединения оптических волокон. Оптический соединитель – это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов ВОЛС в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: − оптические соединения оптоэлектронных модулей (приемников и передатчиков) с волокно-оптическим кабелем (ВОК); − соединения отрезков ВОК между собой; − соединения отрезков ВОК с другими компонентами. Различают неразъёмные и разъёмные соединители. Разъёмные соединители (широко употребляется термин «коннекторы») допускают многократные соединения/разъединения и имеют в своей конструкции некоторый механизм сцепления. Неразъёмные соединители жёстко фиксируют друг с другом два световода. Они используются в местах постоянного монтажа кабельных систем. Основным методом монтажа, обеспечивающим неразъёмное соединение, является сварка. Освобождённое от покрытий ОВ после шлифовки торцов закрепляют в юстировочном устройстве и сваривают электрической дугой или лазерным лучом. Типовые вносимые потери в таких соединителях составляют менее 0,2дБ, а при высоком качестве меньше 0,1дБ. неразъёмного Кроме того существует множество других способов соединения световодов. Рассмотрим только несколько из них. Одним из самых распространённых способов неразъёмного соединения cветоводов является использование прецизионных в тулок или трубок, выполняемых обычно из стекла (рисунок 3).

7

1

2

3

4

1 − втулка; 2− склеивающий компаунд; 3,4 − волокна Рисунок 3 − Соединение волокна с помощью трубки Вносимое затухание соединителя составляет 0,3дБ. Неразъёмное соединение, выполненное с применением пластин с канавками (рисунок 4), вносит затухание порядка 0,5дБ. 4 2 1

1

2 3

а)

б)

1− волокно; 2 − канавки; 3 − пластина; 4 − крышка. Рисунок 4 − Соединение волокон с помощью пластин с круглой (а) и V – образной (б) канавкой Основными требованиями к оптическим соединителям являются: −

малые вносимые потери;

−

устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям;

−

высокая надёжность;

−

простота конструкции. 8

Потери в оптических соединителях возникают из-за несовмещённости и несоосности элементов конструкции. Наиболее эффективно соединение торец в торец. Основными задачами при торцевом сочленении являются обеспечение: −

строгой соосности;

−

идентичности геометрии торцов;

−

перпендикулярности их поверхностей оптическим осям;

− высокая степень гладкости торцов. Основные дефекты, которые могут возникнуть при торцовом соединении ОВ показаны на рисунке 5.

а- радиальное;

б- угловое;

в – осевое

Рисунок 5 − Виды дефектов при торцевом соединении ОВ Все типы соединений должны быть достаточно простыми как для сборки соединения, так и для его ремонта.

4 ОПТИЧЕСКИЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ 4.1 Назначение и типы оптических разветвителей В волоконно-оптической технике часто возникают задачи разделения или объединения потоков оптического излучения, отвода части оптического излучения из основного канала передачи в другие. Такие задачи решаются с помощью оптических разветвителей. Оптический разветвитель - это в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными полюсами. 9

Под оптическим полюсом понимается оптического излучения. Различают четыре вида разветвителей: – направленные; – ненаправленные; – чувствительные к длине волны; – нечувствительные к длине волны.

место

ввода

или

вывода

4.2 Параметры разветвителей Общий принцип работы и параметры каждой категории разветвителей можно проиллюстрировать на примере разветвителя Х-типа (2×2), схематически представленного на рисунке 6, а затем уже перейти к рассмотрению конкретных типов разветвителей. Р2

Р1

2

4

Р4

1 3 Р3 Рисунок 6 – Разветвитель Х-типа

Линия передачи, соединяющая полюса 1 и 3 называется основной линией, а линия передачи, соединяющая полюса 2 и 4 – вспомогательной линией. В приведённом четырёхполюсном пассивном двунаправленном разветвителе излучение, введённое через полюс 1, может выходить через полюсы 3 и 4, и не должно поступать в полюс 2. По аналогии излучение, введённое через полюс 2, может выходить через полюсы 4 и 3, и не должно выходить через полюс 1. Таким образом, полюсы 1 и 2 в рассматриваемом направлении излучения являются входными, а полюсы 4 и 3 − выходными. Данный разветвитель является взаимным, так как возможно также обратное распространение света и изменение роли полюсов, т. е. при подаче излучения через полюсы 4 и 3 они становятся входными, а полюсы 1 и 2 − выходными. 10

Для анализа потерь, возникающих при прохождении света в разветвителях, рассмотрим вариант использования разветвителя на рисуноке 6, когда полюс 1 − входной, а полюсы 4 и 3 − выходные. Деление оптической мощности с помощью разветвителя Х-типа характеризуется следующими параметрами. Переходное ослабление определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии

С14 = 10 lg (P1 P4 ) , дБ,

(5)

Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, а так же от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления С разветвители делятся на устройства с сильной ( С = 0 – 10дБ) и слабой ( С > 10дБ) связью. Разветвители, имеющие равные мощности в выходных плечах ( С = 3дБ), выделены в особый класс соединений называемый трёхдецибельные направленные ответвители. Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии

N 42 = 10 lg (P4 P2 ) ,дБ.

(6)

Направленность идеального ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно так же, чтобы разветвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность может быть нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны световода распространяются волны равной амплитуды, а так же положительной или отрицательной. Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии

L12 = 10 lg (P1 P2 ) , дБ.

(7)

11

Балансом входных плеч называется отношение мощностей на выходе основной линии и рабочего плеча вспомогательной линии

B34 = 10 lg (P3 P4 ) , дБ.

(8)

Рабочее ослабление (или вносимые потери) определяются отношением мощностей на входе основной и выходах основной и вспомогательной линий А134 = 10 lg

(P (P 1

3

+

P4 )

).

(9)

Рабочий диапазон длин волн − это диапазон длин волн, в пределах которого осуществляется работа разветвителя. Разветвители, имеющие большой диапазон длин волн, называются ахроматическими. Чем меньше зависимость вносимых потерь разветвителя от длины волны, тем шире диапазон. Светоизлучающие диоды работают в полосе излучения ∆λ = ±35нм в окрестности несущей длины волны λ0. Для поддержания такого диапазона оптический разветвитель должен быть ахроматическим. Потери на разветвлении − это потери, связанные с тем, что мощность естественным образом распределяется между выходными полюсами. Для идеального разветвителя (1×n) с n выходными полюсами, в предположении равенства мощностей между всеми выходными полюсами, потери на разветвление определяются соотношением А = − 10 lg(1 n ) , дБ. np

Это

−

минимальное

значение,

(10) присущее

идеальному

разветвителю

с

симметричными выходными полюсами. Так для разветвителя 4×4 потери на разветвлении Апр = 6,02дБ. 4.3 Основные категории оптических разветвителей Оптические разветвители подразделяются на три категории: – древовидный разветвитель; – ответвитель; – звёздообразный разветвитель.

12

а) Древовидный разветвитель Древовидный разветвитель осуществляет расщепление входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию – объединение нескольких сигналов в один выходной (рисунок 7).

Вход

Древовидный разветвитель

n=1

Выход

1 . . . . m

Рисунок 7 – Древовидный разветвитель Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как n x m, где n – число входных полюсов (для древовидного разветвителя n=1), а m – число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В выпускаемых в настоящее время моделях количество выходных полюсов может находится в пределах от 2 до 32. По своей конструкции древовидные разветвители разделяют на две основные группы: – биконические, в которых излучение передаётся через боковую поверхность; – торцевые, в которых излучение передаётся через торец. В обеих группах излучение может передаваться либо при непосредственном контакте световодов, либо через вспомогательные элементы − зеркала, линзы, смесители. В биконических разветвителях свет может быть извлечен, например, при связи со вторым световодом через боковое соединение (рисунок Соотношение между Р3 и Р4 зависит от длины области связи.

13

8).

lсв 4

2

Р4

Р4≠Р3

1 Р1

3

область связи а)

Р3

4

Р1/2

P1 3

1

Р1/2

б) Рисунок 8 – Биконический разветвитель со связью через боковое соединение Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных световодов непосредственно состыковываются с торцом входного световода и закрепляются каким-либо механическим способом или склеиваются. Изменяя взаимное положение торцов сердечника и подбирая их поперечное сечение (рисунок 9), можно изменять в широких пределах отношение мощностей в разных каналах.

1 − входной световод; 2,3,4, − выходные световоды Рисунок 9 – Разветвитель торцевого типа 14

Вносимые потери составляют 0,3 − 1,2дБ. Для их уменьшения, а также для снижения возбуждения мод оболочки стравливают или сошлифовывают. На рисунке 10 изображён разветвитель с ветвящейся структурой, полученной путём склеивания или сплавления выходных ВС вдоль сошлифованных под малым углом сердечника и соединения с торцом входного ВС. 3 1

θ

4

1− входной ВС; 3,4 − выходные ВС Рисунок 10 − Разветвитель с ветвящейся структурой Хотя принцип разветвителя простой, изготовление затруднительно, вносимые потери составляют 0,5 − 1,2дБ. Эта конструкция подходит как для градиентных, так и для ступенчатых ВС. Разделение мод и потери растут с ростом угла, под которым соединены ВС. Разветвитель с расщеплением пучка показан на рисунке 11. ВС 0 разрезан под углом 45 к оси, торцы его отполированы и покрыты частично отражающими металлическими и диэлектрическими зеркалами. Теоретически величина потерь 0,5дБ. Практически для всех типов ВС вносимые потери равны 1−1,5дБ в зависимости от коэффициента разделения. В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы (градины), представляющие собой отрезок градиентного ВС с параболическим профилем показателя преломления. Ход лучей в такой линзе при осевом и не осевом падении луча, показан на рисунке 12. Лучи периодически фокусируются на оси линзы в точках, расстояние f между которыми определяется длиной волны сигнала.

15

Рисунок 11 − Разветвитель с расщеплением пучка

а − осевое; б − не осевое падение луча Рисунок 12 - Ход лучей в градиентной цилиндрической линзе Некоторые типы разветвителей с линзами показаны на рисунке 13. На , линзы наносятся частично (рисунок 13, б, в) или полностью (рисунок 13, а, г) отражающие покрытия, которые на рисунке показаны утолщёнными

16

линиями. Измеренные вносимые потери, например, изображённого на рисунке 13, в составляют 1дБ.

а)

для

разветвителя,

б)

в)

г) 1 − входной ВС; 2,3 − выходные ВС

Рисунок 13 − Разветвители с градиентными диэлектрическими линзами б) Ответвитель Ответвитель – это обобщение древовидного разветвления, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полосами (рисунок 14).

17

Рисунок 14 – Ответвитель Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идёт в каналы 2,3…, m, в то время как основная доля (больше 50%) поступает в первый выходной канал. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности. Конфигурации ответвителей бывают 1×2, 1×3, 1×4, 1×5, 1×6, 1×7, 1×8, 1×16, 1×32. В настоящее время наибольшее распространение получили сварные ответвители, в которых оптические волокна, образующие входные и выходные полюса, сплавляются в монолитную конструкцию. Этот ответвитель действует за счёт связи между двумя световодами на отрезке небольшой длины (рисунок 15), на котором отсутствует оболочка. Сравните с разветвителем, изображённым на рисунке 8, а. Lсв

Рисунок 15 − Биконический сплавой переход Свет может быть извлечён через боковую поверхность. Переходное ослабление С14 может изменяться от 3 до 20дБ, вносимые потери А 13 составляет примерно 1дБ. Аналогично биконическим ответвителям могут быть реализованы ответвители на планарных структурах. 18

в)Звёздообразный разветвитель Звёздообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из n входных полюсов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Во избежание путаницы по входным и выходным полюсам, принято обозначать входные полюсы латинскими буквами, а выходные полюса − цифрами (рисунок 16). Звёздообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами.

a b c d

4×4 разветвитель

1 2 3 4

Рисунок 16 - Звёздообразный разветвитель

Большое распространение получили звёздообразные разветвители 2×2 и 4×4. Звёздообразный разветвитель, показанный на рисунке 17, состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем 1. Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало 2, на другой конец нанесено просветвляющее покрытие 3. Излучение, выходящее из какого-либо световода 4, отражается от зеркала и равномерно распределяется по всем световодам. Это даёт возможность каждому терминалу в системе передавать и принимать данные от любого другого терминала. Было установлено, что потери при распределении мощности излучения в системе с древовидными ответвителями возрастают пропорционально числу абонентов (ответвлений), а в системе со звездообразными разветвителями − пропорционально логарифму числа оконечных устройств. 19

2 1

3

4

1 − смесительный стержень; 2 − сферическое зеркало; 3 − просветвляющее покрытие; 4-световод (выходной) Рисунок 17 − Звёздообразный разветвитель со сферическим зеркалом

5 ОПТИЧЕСКИЕ АТТЕНЮАТОРЫ И ИЗОЛЯТОРЫ Аттенюатором (ослабителем) называется устройство, предназначенное для уменьшения (ослабления) мощности, поступающей от источника колебаний. Аттенюаторы оказываются полезными для регулирования уровня мощности с целью получения желаемого сигнала. Это бывает необходимо в измерительной технике или в системах передачи информации для согласования затухания в оптическом волокне с динамическими параметрами системы. При передаче данных слишком малые уровни сигнала могут привести к потерям информации 20

(бытовым ошибкам), а слишком высокие уровни – к перегрузке приёмного устройства и сбоям работы системы передачи в целом. Аттенюаторы обеспечивают вносимое затухание в прямом направлении Lпр и могут работать двунаправлено (Lпр = Lобр ). Величина снижения уровня оптической мощности может быть постоянной (фиксированные аттенюаторы) или изменяемой (переменные аттенюаторы). 5.1 Фиксированные аттенюаторы Степень ослабления в фиксированном аттенюаторе достигается за счёт воздушного зазора, создаваемого между торцами соединяемых ими волокон в коннекторах. Конструкция аттенюаторов обеспечивает их взаимозаменяемость. Конструкции аттенюаторов различны в зависимости от того, в каких типах ВОЛС (ОМ или ММ) они используются. Фиксированные аттенюаторы обеспечивают постоянное значение вносимого затухания Lпр определённой величины из ряда: 5; 10; 15; 20дБ. 5.2 Переменные аттенюаторы Переменные аттенюаторы допускают плавную регулировку величины вносимого затухания за счёт изменения воздушного зазора с помощью резьбового соединения. Они также имеют присоединительные разъемы, обеспечивающие взаимозаменяемость. Диапазон плавной регулировки вносимого затухания в многомодовых переменных аттенюаторах составляет 0 – 15дБ, а в одномодовых – 0 – 20дБ, причём точность установки величины затухания составляет около 0.5дБ в диапазоне температур от ,- 60ºC до +85ºC при допустимой влажности 90%. 5.3 Оптические разветвители как аттенюаторы Разветвители можно использовать также в качестве аттенюаторов. Аттенюаторы, как и разветвители, выполняются для одного частотного окна, т.е. оптимизированными для заданного диапазона длин волн (например, 1310 или 1550нм), обеспечивая равномерное затухание в широком диапазоне длин волн (∆λ= ±40нм). 21

Конструктивно аттенюатор представляет собой сплавной разветвитель с равномерной шкалой (для уменьшения мощности в два раза, т.е. на 3дБ) или неравномерной шкалой для уменьшения мощности на другую величину.

5.4 Оптические изоляторы и вентели Оптические изоляторы и вентили – это устройства, которые пропускают свет в одном направлении с малым затуханием и практически не пропускают свет в обратном направлении. Дополнительным параметром изоляторов являются затухание в обратном направлении Lобр и вентильное отношение B = Lобр Lпр . Изоляторы исключают влияние отражения прямого излучения на частоту и амплитуду сигналов, генерируемых полупроводниковыми лазерами и другими источниками излучения. В основе работы оптического изолятора лежит электрооптический эффект Фарадея. Согласно ему происходит поворот плоскости поляризации излучения, проходящего через магнитооптический материал, находящийся под действием внешнего магнитного поля. В диапазоне длин волн λ= 1.2 – 4.5мкм такими материалами являются кристаллы редкоземельных гранатов, обладающих очень хорошим пропусканием и экстремально высоким удельным фарадеевским вращением плоскости поляризации на единицу длины кристалла. На рисунке 18 показан принцип работы оптического изолятора на фарадеевском ротаторе (ФР). Поляризаторы пропускают свет только при определённой поляризации, показанной на рисунке 18. Ротатор осуществляет поворот плоскости поляризации на 45°. Угол поворота не зависит от направления движения света, поэтому при обратном направлении свет на выходе поляризатора 2 имеет горизонтальную поляризацию и, следовательно, поляризатор 1 с вертикальной поляризацией его не пропустит. Изоляторы с ФР имеют вносимое затухание Lпр ≈ 0.8дБ и степень изоляции Lобр ≈ 40дБ. 22

Поляризатор 1 ФР Изолятор

Поляризатор 2

В

Функция ϕ1=0

0°

Прямое направление

ϕ2=45°

α=45°

45°

Pпр

Pпр

90°

45°

Pобр

Обратное направление ( изоляция )

Рисунок 18 − Оптический изолятор с фарадеевским ротатором В оптических приёмниках необходимы устройства контроля состояния поляризации – поляризационные контроллеры, которые могут быть выполнены с применением ФР. 6 СПЕКТРАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВОЛС 6.1 Мультиплексирование по длинам волн При создании магистральных линий связи на большое число каналов следует учитывать возможности, открываемые спектральным уплотнением или мультиплексированием по длинам волн (МДВ). Сущность последнего состоит в том, что в волоконный световод вводится одновременно излучение от нескольких 23

источников, работающих на разных длинах волн, а на приёмном конце с помощью оптических фильтров происходит разделение сигналов (рисунок 19).

ОП1

ФП1 λ1

λ1 λ1,...,λn

УО

УР

ВС

ОПn

λn

λn

ФПn

ОП – оптические передатчики; УО – устройства объединения; УР устройство разделения; ФП – фотоприёмники Рисунок 19 – Принципиальная схема спектрального уплотнения Таким образом, по одному световоду организуется n спектрально разделённых оптических каналов. Спектральное уплотнение позволяет существенно увеличить пропускную способность оптических кабелей и организовать двустороннюю многоканальную связь по одному волокну. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания волоконнооптического кабеля (ВОК) от частоты (или длины волны) в пределах используемого спектрального диапазона. Поэтому по одному волоконному световоду, подобно многоканальным радиорелейным системам передачи, можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Это позволяет обойти ограничение на скорость передачи по одному волоконному световоду, связанное с дисперсионными искажениями. 6.2 Устройства уплотнения по длинам волн Устройства, с помощью которых осуществляется уплотнение по длинам волн, называются мультиплексорами. 24

Одним из устройств волнового (спектрального) уплотнения является МДВ– фильтр. Он выполняет функции мультиплексирования (объединения) или демультиплексирования (выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн (каналов) в одно волокно из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. На передающей и приемной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах объединения и выделения соответственно. Сам факт существования устройств МДВ основан на свойстве волокна пропускать множество сигналов, которые распространяются по волокну, не взаимодействуя между собой (рисунок 20). МДВ мультиплексор λ1 λ2 λn

Оптическое волокно

МДВ демультиплексор λ1 λ2 λn

Рисунок 20 − Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волокну Первые устройства МДВ появились в начале 90-х годов ХХ века. В основном это были широкополосные двухканальные системы с длинами волн 1310нм и 1550нм. В дальнейшем по мере все большего освоения окна 1550нм появляются прецизионные узкополосные МДВ-устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне 1550нм. Это позволило строить на волокне протяженные магистрали с множеством каналов. Катализатором прогресса становятся оптические усилители. Практически вся рабочая область длин волн(1530─1560нм), в которой усилитель имеет достаточно высокий коэффициент усиления и приемлемое отношение сигнал/шум, отводится в распоряжение систем спектрального уплотнения. Для построения многоканальных МДВ-систем наряду с пассивными МДВ фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах. В настоящее время поставляются системы с числом каналов 4, 8 ,16 и 32. 25

6.3 Принцип действия устройств спектрального уплотнения 6.3.1 Призматическое устройство Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные оптические спектральные устройства (мультиплексоры), работа которых основана на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции, интерференции. В качестве примера на рисунке 21 показана схема призматического устройства, с помощью которого можно как объединить, так и разделить оптические несущие. L1

L2 λ1, BC1

λ1, λ2

BC

λ2, BC2

Рисунок 21 – Схема разделения оптических несущих с помощью призмы Основным элементом такого устройства является оптическая призма, в которой за счет дисперсии, то есть зависимости показателя преломления от длины волны оптического излучения, происходит пространственное разделение (или объединение для обратного направления) оптических несущих. Для примера здесь показаны два оптических канала с длинами волн несущих λ1 и λ2. Торец волоконного световода (ВС), по которому передается оптическое излучение двух каналов, располагается в фокальной плоскости линзы L1. Поэтому расходящийся пучок излучения с торца ВС преобразуется линзой в параллельный пучок и падает на призму. Так как излучение разной длины волны отклоняется призмой на разные углы, то из призмы выходят параллельные пучки разного направления (штриховые линии). С помощью второй фокусирующей линзы L2 эти пучки собираются в различных точках ее фокальной плоскости и далее поступают в волоконные световоды ВС1 и ВС2. На концах световодов ВС1 и ВС2

26

располагаются фотоприемники при работе устройства в режиме разделения или оптические передатчики при объединении несущих с длинами волн λ1 и λ2. Призматические устройства объединения и разделения оптических несущих обладают рядом недостатков, из которых следует выделить большие габариты, значительные вносимые потери и высокую стоимость. Для создания систем передачи со спектральным разделением оптических каналов более подходят устройства, работающие на дифракционных и интерференционных явлениях. Сюда относятся дифракционные решетки, светофильтры и др. 6.3.2 Дифракционное устройство В дифракционных решетках различные оптические волны отклоняются на различные углы и таким образом осуществляется разделение или объединение несущих (рисунок 22).

Рисунок 22 – Схема разделения оптических несущих с помощью дифракционной решётки Угловая дисперсия первого порядка для решётки определяется её пространственным периодом – постоянной решётки d. Если оптическая мощность в каждом канале монохроматична, разделение каналов определяется соотношением

∆λ =

D d 2 − (λ 2 )2 , f

(11) 27

где f – фокусное расстояние линзы; D – пространственное разделение выходов ВС; d – постоянная решётки. Конечная ширина спектральной линии приводит к перекрытию соседних каналов. 6.3.3 Оптические фильтры Широкое применение получили оптические фильтры. Действие их основано на дисперсионных свойствах кварцевого стекла, т.е. зависимости показателя преломления от длины волны n=ψ(λ). Соответственно при прохождении различных волн через световод с меняющимся значением n одни волны испытывают отражение, а другие проходят. Известно несколько модификаций оптических фильтров. Волоконный фильтр представляет собой отрезок световода, параметры сердечника или оболочки которого (показатель преломления, диаметр) периодически модулированы вдоль оси световода. Такие световоды обладают резко выраженными селективными свойствами: одни волны испытывают отражение, а для других волн фильтр прозрачен (рисунок 23, а, б).

а – с модуляцией диаметра волокна; б – с модуляцией показателя преломления; в – плоская конструкция фильтра Рисунок 23 – Типы оптических фильтров 28

Плоские конструкции фильтров выполнены в виде комбинаций стёкол с различными показателями преломления. При прохождении через такой фильтр излучение с длинной волны λ2 испытывает полное внутреннее отражение, а излучение с длинной волны λ1 проходит (рисунок 23, в). Оптические фильтры обеспечивают коэффициент отражения по интенсивности примерно 0,9. Полосовые и разделительные фильтры применяются в ВОСП, в которых по световоду передаётся одновременно множество оптических сигналов с использованием частотного уплотнения. 6.3.4 Принцип двусторонней связи по одному волоконному световоду Спектральное уплотнение позволяет не только увеличить пропускную способность оптического кабеля, но и осуществить двухстороннюю передачу по одному волокну. В технике оптической связи обычно используют два волокна для передачи в прямом и обратном направлениях. Спектральное уплотнение, как видно из рисунке 24, позволяет осуществить одновременную двухстороннюю связь по одному волокну.

Рисунок 24 ─ Схема двухсторонней связи по одному волоконному световоду Таким образом, можно строить оптические линии по двухпроводной схеме, а не четырёх проводной, принятой при передаче по электрическим кабелям. В заключении можно отметить, что спектральное уплотнение открывает широкие возможности увеличения пропускной способности оптических трактов и развитие сетей связи. Достоинствами его являются: 29

– повышение пропускной способности волоконно-оптического кабеля; – возможность организации двухсторонней связи; – наращивание пропускной способности уже проложенных оптических линий связи; – осуществление передачи различных видов данных на различных несущих волнах в абонентских интегральных сетях связи многоцелевого назначения. 6.3.5 Типы устройств мультиплексоров и демультиплексоров Применяемые в линиях мультиплексоры и демультиплексоры должны иметь малые вносимые потери. Мультиплексоры должны, кроме того, обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре различных способа получения устройств связи (рисунок 25).

а – с решёткой; б – с призмой; в – с интерференционным фильтром; г– с поглощающим фильтром Рисунок 25 − Типы устройств связи, селективных к длине волны 30

В основу работы устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта: − угловая дисперсия; − интерференция; − поглощение. Демультиплексоры, показанные на рисунке 25,а,б используют угловую дисперсию решётки или призмы. На рисунок 25,в изображена конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, а на рисунок 25, г – структура поглощающего типа, используемая как демультиплексор. Каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода. Устройства с решёткой и призмой (рисунок 25, а,б) являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы (рисунок 25, в, г) – с последовательным. Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (светофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение. Наиболее широко используются устройства с хроматическим фильтром (рисунок 25, в). Демультиплексоры такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. В разрезе передающего волоконного световода расположен фильтр, чувствительный к длине волны. Параллельное разделение возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотнённых несущих в одном волоконном световоде. Параллельные детали представляют собой миниспектрометр. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решётку или призму), Коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную щели (роль которых выполняют сердечники излучающего и приёмных волоконных световодов (ВС)). Схема с призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность миниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в 31

диапазоне длин волн 1,1–1,6мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсия призм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решёткой. Примером устройства демультиплексора с решёткой является пятиканальный демультиплексор, изображённый на рисунке 26. Излучающий и пять приёмных ВС объединены в линейку, расположенную в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8мм, диаметр 14мм). Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, дифрагирует на решётке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или иной приёмный ВС.

1 – входной ВС; 2 – выходные ВС; 3 – объектив; 4 – дифракционная решётка Рисунок 26 – Устройство пятиканального демультиплексора Решётка имеет несимметричные канавки. Параметры решётки (постоянная решётки d=4мкм, угол θ =6,2°) выбраны так, что её максимальная дифракционная эффективность достигалась на центральной длине волны λ0=0,86мкм рабочего диапазона λ=0,82–0,88мкм. Спектральный интервал между каналами равен 25нм. Во всём диапазоне дифракционная эффективность составляет не более 90%, вносимые потери в каналах не превышают 1,4дБ, переходные затухания – 30дБ. 6.4 Плотное мультиплексирование по длинам волн Плотное

мультиплексирование

по

длинам

волн

(ПМДВ)

является

разновидностью волнового мультиплексирования (МДВ) когда интервалы между соседними длинами волн ∆λ составляет 1.6нм и менее. 32

Мультиплексорам

ПМДВ

(в отличие от более традиционных МДВ)

присущи две отличительные черты: – малые интервалы ∆λ между мультиплексными каналами (1,6 − 0,8 или 0,4нм). – использование только одного окна прозрачности 1550нм в пределах области усиления оптического усилителя (1530− 1560нм); Кроме того, поскольку мультиплексоры ПМДВ рассчитаны на работу с большим числом каналов (до 32-х и более), появились новые устройства, не имеющие аналогов в системах МДВ. Из-за малых интервалов между каналами и необходимости работы с большим числом каналов одновременно, изготовление мультиплексоров ПМДВ требует значительно большей прецезионности по сравнению с МДВ-мультиплексорами. Также важно обеспечить высокую направленность и развязку на полюсах ПМДВ-устройства. Всё это приводит к более высокой стоимости ПМДВ-устройств по сравнению с МДВ. Типовая схема ПМДВ-мультиплексора с зеркальным отражающим элементом показана на рисунок 27,а. Рассмотрим его работу в режиме демультиплексирования. Приходящий сигнал λ1+2+3+4 попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих собой дифракционную структуру (решётчатая структура волноводных массивов). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остаётся мультиплексным, т.е. каждый сигнал с длинами волн λ1, λ2, λ3, λ4 остаётся представленным во всех волноводах. Далее происходит отражение сигналов каждого волновода от зеркальной поверхности, и, в итоге, световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине. В этой пластине происходит их интерференция – образуются пространственно разнесённые интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие разным каналам. Геометрия волновода-пластины, в частности, расположение выходных полюсов, и длины волноводов дифракционной структуры рассчитываются таким образом, чтобы интерференционные максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путём.

33

а – с отражающим элементом; б – с двумя волноводными пластинами Рисунок 27 – Схемы ПМДВ-мультиплексоров плотного мультиплексирования по длинам волн Другой способ построения мультиплексоров базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (рисунок 27,б). Принцип построения такого устройства аналогичен предыдущему случаю за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется различная длина волноводов. ПМДВ-мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (рисунок 27,а), работающего в режиме демультиплексирования составляют 10–12дБ. Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и/или после ПМДВ-мультиплексора. 34

ЛИТЕРАТУРА 1.

2.

3. 4.

5. 6. 7.

8. 9. 10. 11. 12.

Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы/ Сборник статей под редакцией Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. - М.: Изд.- во «Соппес1», 2000. -376 с. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1990. -224 с. Гауэр ДЖ. Оптические системы связи: Пер. с англ.- М.: Радио и Связь, 1989. -504 с. Оптические системы передачи: Учеб. для вузов / Б.А. Скворцов, В.И. Иванов, В.В. Крухмалев и др. Под ред. В.И. Иванова М.: Радио и связь, 1994. -224 с. Гордеев И.И. Волоконно-оптические системы передачи данных и кабели:-М.: Радио и связь, 1993. - 350 с. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. -3-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1981. -431 с. Гребнев А.К. и др. Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев. Под ред. Ю.В. Гуляева. - М.: Радио и связь, 1998. - 336 с. Иванов А.Г. Волоконная оптика: Компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания Сайрус системе, 1999. - 327 с. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник/ И.И. Гроднев и др. - М.: Радио и связь, 1993. - 294 с. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети.- М.: Эко-Трендз, 1998. -267с. Семенов А. Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях связи. – М.: Компьютер-Пресс, 1998. - 302с. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. – М.: Компьютер-Пресс, 1998. -302с

35