Оптические кросс-коммутаторы

В сетях с ячеистой топологией необходимо обеспечить гибкие возможности для изменения маршрута следования волновых соединений между абонентами сети. Такие возможности предоставляют оптические кросс-коннекторы, позволяющие направить любую из волн входного сигнала каждого порта в любой из выходных портов (конечно, при условии, что ни один другой сигнал этого порта не использует эту волну, иначе необходимо выполнить перестроение длины волны). Существуют оптические кросс-коммутаторы двух типов: с промежуточным преобразованием в электрическую форму и полностью оптические. Исторически первыми появились более традиционные оптоэлектронные кросс-коммутаторы, по которым и закрепилось название оптических кросс-коммутаторов. Поэтому производители полностью оптических устройств этого типа стремятся использовать для них названия, отличаются - фотонные (Photonic Switches), или маршрутизаторы волн (Wave Routers, или Lambda Routers). В оптических кросс-коммутаторов является принципиальное ограничение - они хорошо справляются со своими задачами при работе на скоростях до 2,5 Гбит / с, но, начиная со скорости 10 Гбит / с и выше, габариты таких устройств и потребления энергии становятся недопустимыми. Фотонные коммутаторы свободные от такого ограничения. В фотонных коммутаторах используются различные оптические механизмы, в том числе дифракционные фазовые решетки и микроэлектронные механические системы (Micro - Electro Mechanical Systems, MEMS). Система MEMS является набором подвижных зеркал очень маленького размера, диаметром менее миллиметра (рис. 8.15).

Рисунок 8.15 - Микроэлектронная механическая система кросс-коммутации

Коммутатор МЕМS применяется после демультиплексора, когда выходной сигнал уже разделен на составляющие волны. За счет поворота микрозеркала на заданный угол выходной луч определенной волны направляется в соответствующее исходное волокно. По сравнению с оптоэлектронными кросс-коммутаторами, фотонные коммутаторы занимают объем в 30 раз меньше и потребляют примерно в 100 раз меньше энергии. Однако этот тип устройств имеет и недостатки, в первую очередь - это низкое быстродействие и высокая чувствительность к вибрации. Однако, системы МЕМS находят широкое применение в новых моделях фотонных коммутаторов. Сегодня подобные устройства могут обеспечивать коммутацию 256 * 256 спектральных каналов, и планируется выпуск устройств, позволяющих коммутировать 1024 * 1024 каналы и более.

Коммутаторы на фотонных кристаллах. Одной из основных проблем оптических активно-волноводных коммутаторов является изменение направления распространения оптического луча на перпендикулярное (под углом 900). Для этого в них использованы интегральные аналоги оптических угловых призм. Для решения этой же задачи с успехом могут быть использованы фотонные кристаллы.

Фотонные кристаллы (ФК) - периодические диэлектрические структуры, имеющие запрещенную зону, которая препятствует распространению света определенного частотного диапазона. Создавая точечные или линейные дефекты (или физически резонансные полости (РП), или внутренние каналы) в таком кристалле, можно осуществить «туннельная» проводку оптической несущей через запрещенную зону (использовав туннельный эффект) и коммутацию несущей с одного внутреннего канала в другой

 

Оптические изоляторы.

Такие компоненты системы, как торец волокна или линза, могут иметь анти отбивные покрытия, которые уменьшают уровень отражения. Торцы волокон могут быть закруглены так, чтобы отраженные лучи не возвращались обратно в лазера, а отклонялись на углы, которые превышают углы, соответствующие распространению разрешенных мод. Соединители и ответвители разрабатываются специально, чтобы минимизировать уровень отраженного в них света. Критерием эффективности подавления отражений служит параметр обратные потери. Выраженные в децибелах, обратные потери αзвор равны

,

где Рп - мощность, поступает на компоненты и РВ - отражена мощность.

Для хорошо выполненных компонентов обратные потери составляют 30... 40дБ.

Оптический вентиль является устройством однонаправленной передачи, то есть позволяет распространение энергии по волокну только в одном направлении. Упрощенная схема такого прибора показана на рис. 8.16. Он состоит из двух линейных поляризаторов и ротатора Фарадея, что возвращает плоскость поляризации волны на 45 °. Пучок света, который падает слева, поляризуется вертикально поляризатором П1, (путем устранения горизонтальной составляющей), как показано на рис. 8.16, а.

.

Рисунок 8.16 - Схема оптического ізолятора

Далее волна проходит через ротатор Фарадея, который изменяет (вращает) плоскость линейной поляризации пучка, падающего на угол, обусловленный параметрами прибора. Чтобы создать изолятор, угол вращения плоскости поляризации должен равняться 45 °. Таким образом, пучок, выходящий из ротатора, линейно поляризовано в плоскости с наклоном в 45 °. Правый поляризатор П2, который установлен под углом 45 °, позволяет этой волне распространяться в тракт. Так происходит передача света слева направо.

Теперь рассмотрим пучок, распространяется справа налево, как показано на рис. 8.16, б. Этот пучок поляризуется под углом 45 ° с помощью поляризаторазатора П2 и поступает в вентиль. Плоскость поляризации пучка поворачивается на 45 ° ротатором Фарадея таким образом, что он становится горизонтально поляризованным при выходе слева от ротатора. Поляризатор

П1 блокирует прохождение этого горизонтально поляризованного пучка. Свет не может распространяться справа налево через вентиль. Следует отметить, что направление вращения поляризации в ротаторе Фарадея необратим. Если смотреть в направлении распространения волны, то вращение всегда происходит в направлении, которое определено

направлением распространения волны. В данном примере вращения происходило по часовой стрелке для прямой волны и против часовой стрелки для обратной волны.

Таблица 8.3 - Технические параметры оптических изоляторов

Модель	IO-G-1310 (1310нм)	IO-G-1550 (1550нм)
Пиковая изоляция (на центральной длине волны)	≥36 дБ	8 + 16 дБ
Полоса с изоляцией до 90% от пиковой	1… 2% від λ = 1310 нм	1…2% від λ = 1550 нм
Потери, что вносяться	0.7… 1.2 дБ	0.7 …1.2 дБ
Обратные потери	> 55 дБ	> 55 дБ
Рабочая температура	-20 … +55 °С	-20 … +55 °С
Температура сохранения	-35 … +80°С	-35 … +80°С
Относительная влажность	95%, 0°С … 40°С	95%, 0°С … 40°С

Аттенюаторы

Аттенюаторы - это пассивные устройства для уменьшения (или регулирования) мощности оптического сигнала. Такая необходимость может возникнуть как при передаче цифрового, так и аналогового сигналов.

При цифровой передаче большой уровень сигнала может привести к перегрузке (насыщению) приемного устройства.

При передаче аналогового сигнала чрезмерно высокий уровень способен вызвать недопустимо большие нелинейные искажения.

По принципу действия аттенюаторы бывают переменными (регулируемыми) и фиксированными.

Оптические аттенюаторы построены, как правило, на основе: не контактирующих волокон, контактирующих волокон и волокон с повышенным затуханием. На рис. 8.17 приведены варианты реализаций аттенюаторов без контакта волокнами: а) с воздушными зазорами между торцами волокон; б) в аттенюатора с прокладкой или пленкой между торцами волокон затухания дополнительно увеличивается на величину затухания, вносимого этой прокладкой в виде пленки, в) с нанесенными на торце пленками, которые вносят затухания.

 

 

Рисунок 8. 17 - Конструкция оптических аттенюаторов

 

Торцы волокон могут полироваться под прямым или под острым (680) углом к ​​оси волокна. В последнем случае мощность обратно отраженных сигналов минимальна. В аттенюатора с воздушным зазором (не контактирующие волокна) величина затухания зависит от величины зазора между торцами (продольный сдвиг) и от расстояния между осями волокон (поперечное сечение).

Аттенюаторы с контактирующими волокнами могут изготавливаться посредством введения между торцами ОВ пленки, вносит затухания. Для сведения к минимуму отраженной мощности пленка может располагаться под наклоном, или можно обрезать волокна и полировать их под углом 680.

Путем подбора материала и толщины пленки можно обеспечить различные значения затухания. К тому же пленка, которая имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления сердцевины ОВ, значительно снижает френелевский отражения.

Переменные аттенюаторы обычно позволяют регулировать затухания в пределах 0... 20 дБ для ММ и ОВ волокон с точностью установки величины затухания 0,1... 1,0 дБ. Иногда с целью технического обслуживания систем передачи используют аттенюатор с величиной затухания в 40дБ.

Фиксированные аттенюаторы имеют установленные производителем значения затухания, как правило, из следующего ряда: 5, 10; 15; 20 дБ.

Конструктивно аттенюаторы оформляются в трех вариантах: аттенюаторы-шнуры; аттенюаторы-розетки и аттенюаторы-FM розетки, которые устанавливаются между стандартной переходной розеткой и стандартной оптической вилкой (рис.8.18).

Рисунок 8.18 - Внешний вид аттенюатора - FM розетки стандарта SC

 

Для аттенюаторов конечно нормируются следующие параметры: величина (диапазон) вносимого затухания; максимальное отклонение от номинального затухания; рабочая длина волны; обратные потери; спектральная чувствительность; чувствительность к поляризации; повторяемость вносимого затухания (для переменных аттенюаторов) вариант изготовления (одно или многомодовый); тип соединителей; механические нагрузки и факторы, связанные с условиями окружающей среды.

Параметры переменных оптических аттенюаторов приведены в табл. 8.4.

Таблиця 8.4 - Параметры переменных оптических аттенюаторов

Модель	Виробник	Втрати, dБ	Відхил повторюваності втрат, dB	Зворотні втраи, dБ	Діапазон послаблення, dБ	Робоча температура, °C	Розмір, мм
FVA-60B	EXFO	2.00	N/D	N/D	2…70	10…+50	220´115´50
19XT	Photo-dyne	3.50	0.1	-35	3.5…70	0…+40	73´40´29
330A 338A	RIFOCS	1.25 1.25	0.1 0.1	<-40 <-50	1.25…35 1.25…35	15…+60 15…+60	72´142´35 72´142´35
OLA-25 OLA-35	W&G	3.00 2.00	0.1 0.1	<-30 <-42	3…60 2…65	10…+50 10…+50	98´68´180 98´68´180

Мультиплексоры

Интенсивное развитие ВОЛС и необходимость передачи с помощью волоконного световода больших потоков информации требуют полного использования всей полосы пропускания со снижением стоимости единицы передаваемой информации. Для этого существует несколько способов: временное уплотнение, спектральное уплотнение. Временное уплотнение неспособно удовлетворить растущую потребность в количестве и скорости передаваемой информации, так как предельная скорость передачи составляет около 40 Гбит / с.

Наиболее перспективной и способной обеспечить необходимые скорости и объемы передаваемой информации является технология спектрального мультиплексирования (демультиплексирования). По данной технологии реализуются различные конструкции демультиплексоров. Некоторые из них способны уплотнять информацию от единиц и до нескольких сотен оптических каналов.

Классификация мультиплексоров и демультиплексоров. Примем следующую классификацию мультиплексоров: по области применения, по принципу построения схемы (технологии изготовления), по принципу разделения оптических каналов, по принципу действия дисперсионной элемента и по основным спектральным характеристикам.

Рассмотрим эти принципы классификации подробнее.

1). По области применения все существующие мультиплексоры можно разделить на магистральные и локальные. К характеристикам магистральных мультиплексоров предъявляются более строгие требования, так как для передачи данных на значительные расстояния нужно обеспечить малую полосу рабочих длин волн и малые потери. Как правило, расстояния, на которые нужно передавать данные в пределах города, микрорайона, или дома, гораздо меньше, чем для магистральной передачи данных. Поэтому в этом случае надо использовать мультиплексоры для локального применения, для которых можно существенно увеличить область рабочих длин волн при малых потерях.

2). По технологии изготовления все существующие схемы мультиплексоров можно разделить на два больших класса: объемные и планарные. Схемы основных типов планарных мультиплексоров приведены на рис. 9.1. Современные технологии позволяют реализовать практически любую схему мультиплексора. Поэтому, любую схему можно изготовить как в объемном, так и в планарном исполнении.

а б

в г

д

Рисунок 9.1 - Схемы основных типов планарных мультиплексоров на основе призмы (а), дифракционной решетки проходного типа (б), благоустроенной волноводной структуры (в), на основе эшелона Майкельсона (г), отражающей дифракционной решетки (д)

В связи с дальнейшим развитием интегральной и волоконной оптики, появилась возможность создания интегрально-оптических мультиплексоров, имеющих характеристики, не уступающие характеристикам их объемных аналогов, а часто и превосходят их. Кроме того, принципы интегральной оптики позволяют объединить в едином подложке все элементы передающего модуля (лазеры, модуляторы, мультиплексоры, оптические усилители), то есть создать единую интегрально-оптическую схему передающего или примального модулей.

3). По принципу разделения оптических каналов мультиплексоры могут быть как с последовательным, так и с параллельным разделением оптических каналов.

Для устройств с последовательным разделением каналов характерно прохождение оптических сигналов последовательно через каждый элемент, на котором выделяется соответствующий оптический канал. Эти устройства, как правило, вносят значительные потери и допускают разделение малого количества каналов. В первых системах со спектральным уплотнением использовались именно подобные мультиплексоры с количеством каналов 2 или 4.

К этому классу следует отнести устройства, использующие Бреговская отражение на периодических структурах, созданных на волоконных или планарных волноводах, или интерферометры Фабри-Перо и подобные им структуры.

К системам с параллельным разделением каналов относятся распространенные в оптической спектроскопии дисперсионные элементы: призмы, дифракционные решетки, эшелоны Майкельсона и др. Для этих устройств характерны относительно малые потери и большое количество разделенных каналов. Их недостаток - дисперсионные элементов должны производиться с высокой точностью, иногда на грани, а порой и за пределами возможностей современных технологий. Однако, системам с параллельным разделением каналов, безусловно, принадлежит большое будущее.

4). По принципу действия дисперсионной элемента мультиплексоры можно разделить следующим образом: мультиплексоры на основе матриц канальных волноводов, мультиплексоры на основе волноводных дифракционных решеток и волоконные демультиплексоры.

Наиболее перспективными являются схемы мультиплексоров на основе матриц канальных волноводов (упорядоченных волноводных решеток). Такие мультиплексоры могут работать с высокими порядками дифракции (m ≈ 10 и выше). Это позволяет достигать максимального количества каналов при небольшой области рабочих длин волн. Мультиплексоры на основе матриц канальных волноводов лучше всего подходят для магистральной передачи данных, так как усилители сигнала эффективно усиливают в узкой частотной полосе. Как следствие, чем выше порядок дифракции, тем меньше ширина спектра и, соответственно, большим является число рабочих каналов. Существенным недостатком такой схемы, которая построена на основе матрицы канальных волноводов, является то, что длины каналов не просто неодинаковы, но длина каждого следующего канала должна отличаться от предыдущего точно на постоянную величину Δl. На практике это реализуется введением в конструкцию дополнительных элементов.

5). В зависимости от интервала рабочих длин волн, могут использоваться различные конструкции мультиплексоров. Для передачи информации при малых значениях используются магистральные мультиплексоры. По количеству каналов мультиплексоры делятся на системы с разреженным спектральным уплотнением (CWDM) - до 10 оптических каналов, на плотные системы со спектральным уплотнением (DWDM - Dence WDM) - до 50 оптических каналов (с частотным интервалом между соседними каналами Δf = 100 ГГц), и чрезвычайно плотные системы со спектральным уплотнением (UDWDM - Ultra DWDM) - выше 50 оптических каналов (Δf порядка 50 и 25 ГГц).

Следует отметить, что мультиплексоры применяются не только для уплотнения оптических каналов связи, увеличение их пропускной способности, но и для решения других проблем.

Важной проблемой является защита информации от несанкционированного доступа при передаче ее вдоль ВОЛС. В [37] предложен способ защищенной передачи информации, который состоит из преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, разделения его на две равные части, заполнение этими частями нескольких пустых тайм-слотов, возникших за счет распределения информации на несколько частей, маскировочными псевдослучайными сигналами в виде двоичных нулей и единиц, с последующим превращением полученного электрического сигнала в оптический на разных длинах волн. Первую и все последующие волны мультиплексирует и передают по ВОЛС. На приемном конце с потоком информации выполняются обратные преобразовательные действия. Распределение информации при этом осуществляется на части различной длины с помощью коммутатора. Размер этих частей определяет нанесенный алгоритм. Все указанное защищает информацию от несанкционированного отбора при ее передаче в ВОЛС.

 

Волновые конверторы

В рамках концепции оптических сетей волновой конвертор (транспондер) осуществляет чисто оптическое преобразование длины волны сигнала в другую длину волны. Принцип действия такого преобразования, также известного как λ-конверсия, основанный на эффектах нелинейного взаимодействия начального оптического сигнала со специальным сигналом от лазера накачки, в результате чего образуется излучение новой длины волны [30]. Преобразование полностью прозрачное по отношению к частоте модуляции и в отличии от оптоэлектронных преобразований не вносит задержки и способно работать до очень высоких частот модуляции (10 Гбит / с и выше). В перспективе ожидается появление волновых конвертеров, осуществляют одновременное преобразование длин волн сразу нескольких входных сигналов, причем в рамках широкого волнового диапазона и с малыми шумами, вносятся.

Один из методов волновой λ-конверсии основано на использовании фероелектричного кристалла, внутри которого создаются условия для нелинейной оптической взаимодействия (рис.9.2, а). Периодическая структура с изменением направлений поляризаций, что повторяется по очереди, увеличивает эффективность волнового преобразования. При одновременном распространении сигнала и сигнала от лазера накачки происходит генерация света на частоте, равной разности частоты волны накачки и частоты входного сигнала, то есть выполняется закон сохранения энергии:

,

где λS – длина волны первичного сигнала; λр – длина волны накачивания; λС – превращение длины волны.

На рис. 9.2, б показан пример экспериментальных профилей мощности входного () и входного () сигналов при длине волны накачки , полученных с использованием такой структуры. Основные технические параметры системы: мощность лазера 10 мВт; диапазон длин волн лазера накачки - 100 нм; полная длина кристаллической структуры 10 мм.

В качестве нелинейной среды в противном случае используется волокно с нулевой смещенной диспересиею DSF длиной 2 км. Нелинейный эффект, что приводит к генерированию новой длины волны, получаемый путем волнового смешивания, причем

закон сохранения энергии записывается в виде: (використовуються попередні позначення).

а) б)

Рисунок 9.2 - Схема и профили мощности волнового конвертора:

а) схема волнового конвертора с периодической фероелектричною структурой; б) профили мощности входного и выходного сигналов (по материалам фирмы OKI Electric Industry)

 

Разумеется, наибольшая эффективность достигается в окрестности точки нулевой дисперсии, где значительно возрастает сечение доменов волнового смешивания. В связи с этим длину волны лазера накачки следует выбирать как можно ближе к длине волны нулевой дисперсии волокна DSF.

 

Оптические фильтры

Оптические фильтры, иначе волновые селекторы, предназначенные для целенаправленной передачи данных или отклонения оптических сигналов отдельных диапазонов длин волн, то есть, для их оптического разделения. В зависимости от того, какие длины волн передаются в окне прозрачности фильтра, различают коротковолно, довгохвилеви и полосовые фильтры. Эти устройства используются в любых волоконно-оптических системах с большим, чем одна, количеством длин волн, например, в WDMмережах, волоконно-оптических усилителях и системах активного контроля оптических волокон.

Оптические спектральные фильтры функционируют подобно электронных или пассивных RLC фильтров. Оптические фильтры основаны на явлениях дифракции и поглощения.

В основном используются следующие фильтры:

- интерферометр Фабри -перо;

- отражатель Брега;

- тонкая диэлектрическая пленка на эффекте интерференции;

- акусто-оптический туннельный фильтр;

- фильтр поглощения;

- гибридный фильтр.

Фильтр Фабри-Перо основан на взаимодействии многократных отражений светового луча от двух поверхностей тонкой пластины. Он состоит из двух многослойных пластин с высокой отражательной способностью с пространственным разнесением слоев на расстояние в полуволны и фактически оптическим резонатором. В результате амплитудно-частотная характеристика его подобно соответствующей характеристики гребенчатого фильтра.

Бреговская решетка - это совокупность полупрозрачных параллельных пластин, от каждой из которых свет частично отражается, а частично проходит до следующей пластины. При этом происходит интерференция лучей между собой, благодаря чему отдельные волны ослабляются.

Дифракционная решетка работает как отражательное зеркало для узкой полосы пропускания. При этом коэффициент отражения и полосу пропускания можно регулировать. Если длина волны сигнала, который распространяется вдоль волокна, равна длине волны решетки, то тогда проходной сигнал совмещается с отраженным, что распространяется в обратном направлении. Принцип действия Береговской решетки демонстрирует рис. 9.3.

Длина волны решетки определяется шагом периодической структуры . Длина отраженной волны равна произведению удвоенной длины волны решетки (в нанометрах) и эффективного коэффициента преломления.

Волоконная Бреговская решетка (ВБР) состоит из сегментов оптического волокна с изменяемым периодически вдоль волокна коэффициентом преломления.

 

Рисунок 9.3 - Принцип действия Береговской решетки

 

Периодическое изменение коэффициента преломления происходит благодаря изменения неоднородности структуры решетки под действием ультрафиолетового излучения на германо-силикатное сердечника оптического волокна. Таким способом создается Бреговская структура. Можно создавать также периодическую решетку под действием механического или термического давления.

Циркуляторы.

Эффект Фарадея применяется в волоконно-оптическом устройстве - оптическом циркуляционный насос. В отличие от двухпортовый оптических изоляторов, которые имеют один вход и один выход, оптические циркуляторы есть 3 или 4 портовыми, то есть они имеют один вход и два выхода или два входа и два выхода. Распределение излучения между этими портами определяется направлением распространения. На рис. 8.19, а, б представлены схемы, соответственно, 3 и 4-портовых циркуляционный насос.

Циркуляционный насос, соответствующий рис. 8.19, а (Y - циркуляционный насос), имеет следующие свойства: излучение, входит в порт 1, проходит в порт 2; излучения, представлено в порт 2, не поворачивается в порт 1, а проходит в порт 3, излучение, представлено в порт 3, в порт 2 не проходит, а появляется на выходе порта 1.

Циркуляционный насос, выполненный по схеме рис. 8.19, б, имеет следующие свойства: излучение, введенное в порт 1, проходит в порт 2; излучения, которое введено в порт 2, выходит из порта 3; излучения, введено в порт 3, проходит в порт 4, а введено в порт 4 - выходит из порта 1. Принцип работы оптического циркулятора аналогичен принципу работы изолятора.

Отличие заключается в том, что, кроме элементов, имеющихся в изоляторе, в циркуляционный введено трехгранную призму, которая пропускает излучение в одном направлении без отклонения луча, а в противоположном - отклоняет его на 90 °.

а) б)

 

Рисунок 8.19 - Схемы оптических циркулятора

 

Оптические циркуляторы имеют следующие характеристики: вносимые потери <1,2 дБ, изоляция> 40 дБ, перекрестные помехи <-59 дБ, обратное отражение <-50 дБ, поляризационная чувствительность - менее 0,2 дБ.