Спектрально-селективні розгалужувачі (мультиплексори/демультиплексори)

Спектрально-селективні розгалужувачі (мультиплексори/демультиплек-сори) використовують у системах ВОЛЗ із багатохвилевим ущільненням WDM, DWDM і CWDM, у волоконо-оптичних підсилювачах, у локальних мережах при хвилевій маршрутизації тощо. Такі елементи будують в основному на базі інтерференційних фільтрів та дифракційних решіток. У спектрально-селективних розгалужувачах на базі інтерференційних фільтрів (рис. 3.1.4) здійснюється послідовне розгалужування (об’єднання) каналів. Тому збільшення кількості каналів викликає пропорційне збільшення (фільтрів, лінз) і відповідно втрат випромінювання. Отже, використання таких розгалужувачів має сенс, коли кількість каналів невелика.

а б

Рис. 3.1.4. Спектрально-селективні розгалужувачі:

а – конструкція з трьох шматків волокон; б – конструкція із градієнтними лінзами;

1 – інтерференційний світлоподілювач; 2 – інтерференційні фільтри

 

Рис. 3.1.5. Розгалужувач на основі дифракційної решітці: 1 – оптичні волокна; 2 – циліндрична градієнтна лінза; 3 – призма вставка; 4 – дифракційна решітка

У конструкції з трьох шматків волокна для фіксації їх положення на підложці зроблені V-подібні канавки. Робочі площини відрізків ОВ мають багатошарові інтерференційні покриття, які являють собою шари та , що чергуються. Інтерференційний фільтр на скошеному торці вхідного волокна дозволяє розділити випромінювання двох довжин хвиль за напрямками. Фільтри на торцях вихідних каналів являють собою фільтри нижніх та високих частот. Ці фільтри трохи збільшують загальні втрати потужності (на ~ 0.1 дБ), проте істотно знижають рівень переходних завад (до – 40 дБ і нижче при розділенні = 0.85 мкм і = 1.3 мкм).

На рисунку 3.1.5 наведений розгалужувач на основі дифракційної решітці.

До циліндричної лінзи з одного боку через призму вставку приклеєна дифракційна решітка, яка розділяє загальний потік вхідного каналу на декілька каналів відповідно до дифракційних порядків.

Рис. 3.1.6 Рис. 3.1.7

 

На рисунку 3.1.6 наведена схема волоконно-оптичного блока (ВОБ), якій використовується для об’єднання пристроїв в локальних мережах зв’язку. Основу блока складають 6 -розгалужовачів, які об’єднують 3 входи (A,E,C) та 3 виходи (B,F,D). Стрілками показані напрямки розповсюдження світла в оптичних волокнах.

На рисунку 3.1.7 наведена схема включення блоку в локальну мережу.

Типові характеристики багатоканальних мультиплексорів різних виробників подані в таблицях 5 і 6.

 

Таблиця 5 Таблиця 6

Волоконно-оптичні перемикачі

Зміна архітектури волоконно-оптичних мереж, оперативна маршрутизація в мережах доступу і локальних ВОСП неможливі без швидкої та ефективної комутації оптичних потоків. Ця комутація здійснюється за допомогою волоконно-оптичних перемикачів. Існує велика кількість типів волоконно-оптичних перемикачів: електромеханічні, термооптичні, акустичні, електрооптичні та перемикачі з керуванням оптичним сигналом.

Електромеханічні перемикачі

Принцип дії електромеханічних перемикачів аналогічний дії звичайного реле. Кінцівки ОВ у різний спосіб розташовані напроти один другого. При спрацюванні реле торці ОВ входять у безпосередній контакт.

Втрати в таких перемикачах невеликі. Коефіцієнт передачі ~0.3-1.5 дБ. Потужність, що споживається теж невелика ~ 2-20 мВт.

Недоліки: низька швидкодія, чутливість до зовнішніх впливів (особливо вібрацій), відносно великі розміри та неможливість їх застосування в інтегрально-оптичних схемах.

Термооптичні перемикачі

На рисунку 3.2.1 наведена одна з конструкцій такого типу перемикачів. Світловод 1 є загальним вхідним каналом. Торець ОВ 1 оброблений під певним кутом до осі розповсюдження світла. ОВ 2 розташоване співосно до волокна 1. Кут “зрізу” торця такий, що випромінювання, заломлене на ньому, розповсюджується далі під кутом до вісі оптичних волокон 1 та 2. При цьому напрямок розповсюдження променя збігається з віссю волокна 3.

Рис. 3.2.1

Отже, хвиля, яка ввійшла у світловод 1 проходить у волокно 3. Втрати потужності – це лише втрати на френелеве відбивання. Проміжок між світловодами 1 та 3 заповнений рідиною 4. Рівень рідини такий, що вона не доходить до серцевин волокон 1 та 2. Решта простору 5 між світловодами заповнено повітрям під тиском 1.1-1.2 атм. Знизу під волокнами розташований нагрівач 6. При його нагріванні рівень рідини збільшується і вона покриває серцевини волокон 1 та 2. Показник заломлення рідини близький до показника заломлення серцевин ОВ 1. Отже, при нагріванні рідини утворюється оптично однорідна система і хвиля розповюджується вздовж початкового напрямку у волокно 2. Після зниження температури стиснуте повітря витискає рідину із зазору між торцями ОВ 1 та 2 і хвилі знову розповсюджуються в напрямку волокна 3.

Характеристики перемикача: енергія теплових імпульсів, яка необхідна для нагріву рідини ~ 10 мкДж; час нагріву не більше 100 нс.

Інший тип перемикача наведений на рисунку 3.2.2. Світловод із показником заломлення серцевини зроблений під конус та за допомогою клею жорстко зв’язаний зі світловодами та . При цьому в нормальних умовах (температура близько 20^о) дійсні співвідношення:

(3.2.1)

Рис. 3.2.2

і на границі світловодів 3-2 виконуються умови повного внутрішнього відбивання. Водночас границя між світловодами 3-1 внаслідок однаковості показників заломлення в оптичному сенсі відсутня. Відповідно хвиля зі світловоду 3 поступає у світловід 1. При нагріванні ситуація з показниками заломлення змінюється. Внаслідок нелінійної залежності величин показників заломлення співвідношення набуває вигляду:

. (3.2.2)

Отже, стає прозорою границя між світловодами 3-2, а повне внутрішнє відбивання відбувається на границі 3-1. Так світло зі світловоду 3 поступає в світловод 2.

Японською фірмою NEL випускається серійний термічний комутатор на 8х8 напрямків із такими технічними характеристиками:

робочий діапазон довжин хвиль – 1.53-1.57 мкм;

втрати, що вносяться (для 8 напрямків), – <8 дБ;

швидкодія – <3 мс;

напруга живлення – 5 В;

розміри – 145х100х20 мм.

Електрооптичні перемикачі

Електрооптичні перемикачі - це перемикачі, які разом з акустооптичними перемикачами знайшли найширше розповсюдження в сучасних системах ВОЛЗ, локальних мережах і т.ін.

Як матеріали для отримання електрооптичного ефекту використовують вже відомі нам матеріали ніобату літію, танталу та ін., які, як відомо, під дією електричного поля виявляють анізотропічні властивості. Схема електрооптичного комутатора наведена на рисунку 3.2.3

Рис. 3.2.3

Світловоди (а) і (б) на ділянці з електродами виконані з електрооптичного матеріалу. Принципи роботи такого модулятора не відрізняються від принципів подібного модулятора в інтегрально-оптичному виконанні. Більше того, інтегрально-оптичний варіант такого перемикача може бути легко суміщений з ВОЛС. Це є перевагою подібного типу модуляторів (акустооптичних також) перед термічними та електромеханічними.

Електрооптичні перемикачі мають непогану швидкодією – близько одиниць наносекунд. Напруга живлення таких модуляторів невелика і це також можна віднести до переваг електрооптичних перемикачів.

Додамо, що для ВОЛС можуть бути реалізовані всі типи електрооптичних модуляторів (в тому числі й інтерференційні), побудова яких можлива в ІО-варіанті.

Оптичні ізолятори

У високошвидкісних ВОЛЗ для захисту лазерних діодів від паразитних відбивань застосовують оптичні ізолятори. Оптичні ізолятори забезпечують пропускання випромінювання в одному напрямку практично без втрат, а в іншому (зворотному) напрямку інтенсивність випромінювання, яка пройшла через ізолятор, майже нульова.

Рис. 3.2.4

Рисунок 3.2.4 пояснює роботу однієї з можливих конструкцій такого пристрою. Випромінювання лазерного діода проходить через поляризатор 1. Після поляризатора лінійно-поляризована хвиля поступає на вхід комірки Фарадея. По проходженні комірки азимут поляризації повертається на 45^о. Через вихідний поляризатор випромінювання поступає на вхід пристрою введення. Відбиті паразитні пучки, які розповсюджуються у зворотному напрямку мають поляризацію, близьку до лінійної з тим самим азимутом. Після поляризатора 3 відбитий пучок стає лінійно-поляризованим з азимутом, який співпадає з початковим азимутом. Дія комірки Фарадея така, що результат дії не залежить від напрямку розповсюдження світла. Отже, після комірки азимут поляризації повертається ще на 45^о. Таким чином, в порівнянні з початковою орієнтацією вектора поля кінцева відрізняється на 90^о. При такій взаємній орієнтації осі поляризатора та хвилевого вектора за поляризатором 1 інтенсивність світла, сформована відбитими паразитними пучками, практично дорівнює нулю.

Рис. 3.2.5

В лініях зв’язку, побудованих на основі одномодових волокон, в яких стан поляризації передаваного сигналу практично не змінюється може бути застосованій інший тип оптичних ізоляторів. Конструкція такого ізолятора наведена на рисунку 3.2.5.

Випромінювання лазера проходить через поляризатор 1 та чвертьхвильову пластинку 2. Ось пластинки утворює кут 45^о з віссю поляризатора. В такому випадку лінійно-поляризоване випромінювання перетворюється на циркулярно-поляризоване. Якщо світловід не змінює поляризації, то всі відбиті на трасі світові потоки залишаться циркулярно-поляризованими. Проте, напрямок обертання вектора поля зімнеться на пролежаний. Наприклад, на виході системи сигнал був право-пляризований. Тоді відбиті сигналі (випромінювання, яке повертається в бік джерела) ліво-поляризовані.

При проходженні через пластинку в зворотному напрямку таке випромінювання знову перетвориться на лінійно-поляризоване, але воно буде ортогональним до початкового. Як наслідок, після поляризатора 1 інтенсивність випромінювання, яке повернулося з оптичної траси практично рівна нулю.

 

1. Оптичні підсилювачі. Типи та характеристики. Волоконно-оптичні підсилювачі

 

Оптичні підсилювачі

Оптичний підсилювач (ОП) на відміну від повторювача не здійснює оптоелектронного перетворювання, а зразу ж виконує підсилення оптичного сигналу (рис. 6.1.2).

Рис. 6.1.2

Зауважимо, що ОП підсилює як сам сигнал так і шуми. Окрім цього, ОП вносить у сигнал додатково свої власні шуми. Порівняльні характеристики повторювачів та підсилювачів наведені в таблиці 10.

ТТаблиця 10

Характеристика	Повторювач	Оптичний підсилювач
Конструкція	Складна	Проста
Вартість	Низька	Висока, але змінюється в бік зменшення
Надійність	Висока	Дуже висока
Регенерація сигналу	Допускається	Виключається
Прив’язка до швидкості передачі сигналу	Необхідна	Не вимагається
Можливість одночасної передачі декількох сигналів	Виключається	Допускається
Робоча довжина хвилі	0.85, 1.31, 1.55 мкм	Область 1.53-1.56 мкм
Відношення сигнал-шум	Високе	Низьке
Область застосування	Локальні мережі, регіональні мережі, міжрегіональні мережі	Регіональні мережі, міжрегіональні мережі

Підсилювачі Фабрі-Перо

Підсилювачі споряджені плоским резонатором із дзеркальними напівпрозорими стінками. Вони забезпечують високий коефіцієнт підсилення (до 25 дБ) в дуже вузькому (1.5 ГГц), але можуть перестроюватися в дуже широкому спектральному діапазоні (800 ГГц). Окрім цього, такі підсилювачі нечутливі до поляризації оптичного сигналу і характеризуються сильним подавленням бокових складових (ослаблення на величину ~20 дБ за межами інтервалу 5 ГГц за рахунок оптичних властивостей інтерферометра-резонатора).

Оптичні підсилювачі, подібно до лазерів, використовують принцип індукованого випромінювання. Існують п’ять типів оптичних підсилювачів, перелік яких наведено в таблиці 11.

Таблиця 11

№ з/п	Тип підсилювача	Область застосування
	Підсилювачі з порожниною Фабрі-Перо	Підсилення одного каналу (однієї довжини хвилі)
	Підсилювачі на волокні, які використовують бріллюенівське розсіювання	Підсилення одного каналу
	Підсилювачі на волокні, які використовують раманівське розсіювання	Підсилення декількох каналів одночасно
	Напівпровідникові лазерні підсилювачі	Підсилення великій кількості каналів у широкій області довжин хвиль одночасно
	Підсилювачі на домішковому волокні	Підсилення великій кількості каналів у широкій області довжин хвиль одночасно

 

Внаслідок своїх характеристик підсилювачі Фабрі-Перо ідеально підходять для роботи як демультиплексори, оскільки вони можуть бути перестроєні для підсилення лише однієї певної довжини хвилі (одного каналу) із вхідного багатоканального WDM.