Відгалужувачі із градієнтною циліндричною лінзою

Циліндрична градієнтна лінза являє собою відрізок градієнтного волокна з параболічним профілем показника заломлення. Проте на відміну від ОВ вона має більший діаметр (близько 1-2 мм) і не має оболонки. Розподіл показника заломлення циліндричної градієнтної лінзи в радіальному від осі напрямку задається параметром , який має назву ступеня фокусації та визначається виразом:

, (3.1.3)

де – показник заломлення на осі.

Хід променів, які розповсюджуються в такій лінзі при осьовому та неосьовому освітленні, показаний на рисунку 3.1.3.

“Синусоїдальна” траєкторія розповсюдження променів має період , який називають кроком, або фокусною відстанню лінзи. Плоскі торці лінзи дозволяють будувати на її основі різноманітні механічно міцні і компактні пристрої, наприклад узгоджуючі поєднувачі для передачі випромінювання від лазерного діода у волокно, розгалужувачі тощо.

 

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

 

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.

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)

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

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.

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.

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.

№9. Аналіз смуги пропускання ВОЛЗ

Продуктивність ВОЛЗ насамперед залежить від смуги пропускання та затухання лінії.

Локальні мережі зазвичай вимагають смуги від 20 до 600 МГц/км, тому на таких частотах можливо застосування багатомодових волокон. Системи передавання сигналів на великі відстані вимагають смугу волокна близько 100000 МГц/км, яку можуть забезпечити лише одномодові волокна.

Зменшення величини оптичного сигналу в робочій смузі частот на 3 дБ означає втрату половини початкової потужності.

Перетворення в системі зв’язку “електричної” смуги в оптичну або здійснення такого перетворення між будь-якими її компонентами, такими як волокно, приймач або передавач визначається формулою:

. (3.1.1)

Досить часто фірма, що випускає приймачі або передавачі, наводить у паспорті на ці пристрої значення часу наростання робочого імпульсу. Електрична смуга (МГц) для такого компонента ВОЛЗ зіставляється з часом (нс) наростання імпульсу від 0.1 до 0.9 від його пікового значення як

. (3.1.2)

Кінцева ширина електричної смуги системи визначається на основі ширин електричних смуг індивідуальних компонентів за формулою:

, (3.1.3)

де – електричні смуги приймача, кабелю та передавача відповідно.

Для цифрових систем зв’язку розміри смуги пропускання будуть залежати від швидкості передавання даних (біт/с) і формату кодування у відповідності до формули:

, (3.1.4)

де =1.4 для формату без повернення до нуля (NRZ) і =1.0 для формату із поверненням до нуля (RZ).

Ширина смуги системи обмежена смугою частот компонента із самою вузькою смугою частот у лінії. Наприклад, при використанні волокна із достатньо широкою смугою пропускання робочу смугу частот системи може обмежувати термінальне обладнання. Тому при виборі термінального обладнання особливу увагу треба приділяти вибору приймача – його треба вибирати із смугою рівною або такою, що перевищує ширину систему. Передатчик і волокно повинні мати смугу в 1.5-2 рази ширшу, ніж ширина смуги приймача.

Системи зв’язку зазвичай більш економічні при високих швидкостях передавання даних. Тому запас по ширині смуги дає можливість поліпшити пропускну здатність системи. При послідовному з’єднанні кабелів із сумарною довжиною, яка перевищує 1 км, необхідно точно оцінювати оптичну смугу (МГц/км) оптичних волокон, так як приблизне співвідношення між повною шириною смуги кабелю і шириною смуги відрізка волокна довжиною 1 км таке:

, (3.1.5)

де – довжина кабелю в кілометрах, =1.0 для відрізків довжиною 1 км й менше, =0.75 для відрізків довжиною більше 1 км.