Рис. 3.11. Внутренние потери при сварке [9]: а) из-за разности диаметров и числовых апертур волокон; б) обусловленные различием в диаметрах модовых
полей
Затраты, связанные с различными технологиями сварки, хотя и варьируются в зависимости от метода сварки, опыта специалистов и других факторов, считаются относительно высокими. Но несмотря на это, сварка остается самой распространенной и самой надежной технологией сведения волокон: при одновременном монтаже сразу нескольких волокон, при одиночной сварке с использовании как активной, так и пассивной систем осевого выравнивания.
Наиболее распространены автоматизированные сварочные аппараты для одноволоконной сварки фирм Fujikura - FSM-30S и Sumitomo Electric Industries - Type-35SE.
3.3. Оптические разветвители
Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель (coupler, другое название splitter). Разветвители широко используются при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей (all-optical networks). В обоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно дороже.
Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами [1].
Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.
Основные категории оптических разветвителей следующие; древовидный разветвитель; рвездообразный разветвитель; ответвитель.
Древовидный разветвитель (tree coupler)
Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию - объединение нескольких сигналов в один выходной (рис. 3.12 а). Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как n х m, где n - число входных полюсов (для древовидного разветвителя n = 1), а m - число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В поставляемых в настоящее время моделях количество выходных портов может находиться в пределах от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные. Поэтому разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов. Передаточные параметры для разных выходных полюсов разветвителя стремятся делать более близкими друг другу.
Звездообразный разветвитель (star coupler)
Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из п входных полюсов и в равной степени распределяется между п выходными полюсами. Большее распространение получили звездообразные разветвители 2х2 и 4х4. Во избежании путаницы по входным и выходным полюсам, принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса - цифрами, рис. 3.12 б. Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами.
Ответвитель (tap)
Ответвитель - это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами, рис.3.12 в. Конфигурации ответвителей бывают 1х2, 1х3, 1х4, 1х5, 1х6, 1х8, 1х16, 1х32. Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности.
Рис. 3.12. Типы разветвителей: а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель; в) Ответвитель
Параметры, характеризующие разветвитель
Следуя рис. 3.12 б, введем следующие обозначения:
Рi - мощность оптического сигнала, приходящего на полюс i (например, на порт d);
Рi,j - мощность, регистрируемая на выходном полюсе j при условии поступления сигнала на входной полюс i (например, на порт 1).
Следующие три набора параметров считаются основными при описании разветвителя.
Коэффициенты передачи или вносимые потери (insertion loss) определяют потери мощности сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов. Коэффициенты передачи определяются соотношением ains(i,j) = - 101g(Pi,j /Pi) дБ.
Индексы i, j пробегают значения номеров входных и выходных полюсов соответственно, например i = а, j = 1.
Коэффициент направленности является мерой того, как хорошо разветвитель передает мощность в предназначенные выходные полюса. Он показывает интенсивность нежелательного обратного сигнала, возникающего на другом полюсе из входной группы полюсов, и определяется как bdir (i,j) = 101g(Pi,j /Рi) дБ. Индексы i, j относятся к одной группе полюсов, например i = 2, j = 3, или i = а, j = с (рис. 3.12 б). Для точного измерения коэффициента направленности, необходимо подавить влияние обратного рассеяния от соединителей в последующем канале. Для этой цели волокна всех полюсов за исключением i, j помещают в светопоглощающую иммерсионную жидкость с коэффициентом преломления, близким к оптическому волокну, рис. 3.13 а. Мощность, отраженная обратно, проходит через ответвитель. Ответвитель выбирается таким образом, чтобы подавляющая часть обратного сигнала направлялась в приемник. Перед этими измерениями ответвитель градуируется.
Потери на обратном рассеянии bbs (i) = 101g(Pii /Рi) дБ. Здесь Рii -
регистрируемая выходная мощность на полюсе i при условии подачи сигнала на
этот же полюс. Этот коэффициент схож с коэффициентом обратных потерь в оптических соединителях. Процедура измерения потерь на обратном отражении во многом аналогична измерению коэффициента направленности - все полюса за исключением i-го помещаются в поглощающую жидкость (рис, 3.13 б).
Коэффициенты передачи принимают положительные значения и характеризуют эффективность передачи в прямом направлении. Коэффициенты направленности и потерь на обратном рассеянии принимают отрицательные значения и характеризуют нежелательные обратные сигналы. При изготовлении разветвителей стремятся достичь как можно меньших (более отрицательных) значений для коэффициентов направленности и потерь на обратном рассеянии.
Рис. 3.13. Измерение: а) коэффициента направленности, б) потерь на обратном отражении
Наиболее общий способ представления данных о разветвителе основан на построении матрицы потерь. Для разветвителя nхn экспериментальным образом замеряются все приведенные выше коэффициенты, и строится матрица размером 2nх2n. Пример матрицы разветевителя 4х4 (рис. 3.12 б) приведен в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Типовая матрица потерь аi,j, дБ
На диагонали матрицы стоят коэффициенты потерь на обратном рассеянии, где в качестве канала входной последовательно выбираются полюса от а до 4. Из
оставшихся числа в диапазоне 6,6-6,9 дБ соответствуют коэффициентам передачи, остальные - коэффициентам направленности.
Разветвитель с приведенной матрицей можно охарактеризовать следующим образом:
−максимальные вносимые потери на выходном полюсе 6,9 дБ;
−неоднородность (разность между максимальным (6,9 дБ) и минимальным (6,6 дБ) значением коэффициента передачи) 0,3 дБ;
−минимальное значение коэффициента направленности -48,5 дБ;
−минимальное значение потерь на обратном рассеянии -46,2 дБ.
Полные избыточные потери определяются как
aexe |
|
|
) / Pi |
|
дБ, |
где знаменатель дроби под логарифмом |
(i) = −10lg (∑Pi, j |
|
|||||
|
|
j |
|
|
|
|
соответствует входному сигналу на входном полюсе i, a числитель суммарному полезному выходному сигналу. Этот параметр - общая характеристика работы разветвителя.
Рабочий диапазон длин волн (passband) - диапазон длин волн, в пределах которого определена работа разветвителя. Чем шире диапазон, тем меньше зависимость вносимых потерь разветвителя от длины волны. Разветвители, имеющие большой рабочий диапазон длин волн, называются ахроматическими (achromatic). Лазеры без охлаждения и светоизлучающие диоды требуют полосы пропускания ± 35 нм в окрестности несущей длины волны. Для поддержания такого диапазона оптический разветвитель должен быть ахроматическим.
Потери на разветвлении (splitting loss) - это потери, связанные с тем, что мощность естественным образом распределяется между выходными полюсами. Для идеального разветвителя (1хn) с n выходными полюсами, в предположении равенства взаимного равенства мощностей между ними всеми выходными портами, потери на разветвлении определяются соотношением аSL= - 101g(l/n). Это - минимальное значение, присущее идеальному разветвителю с симметричными выходными полюсами. Так, для разветвителя 4х4 потери аSL = 6,02 дБ (сравните с таблицей).
Соотношение разветвления (splitting ratio) описывает, каким образом свет распределяется между выходными полюсами. Эта характеристика, свойственная оптическим ответвителям, может быть выражена как в виде набора коэффициентов передачи по выходным полюсам (частный случай матрицы потерь), так и в виде процентной пропорции мощностей по выходным полюсам, где за 100% принята суммарная выходная мощность.
В табл. 3.6 приведена номенклатура оптических ответвителей, рассчитанных на одно-модовое волокно, производства ADC Telecommunications.
Таблица 3.6. Номенклатура оптических ответвителей под одномодовое волокно [11]