Лекция 18

Пасивные элементы трактов волс (часть 1)

18.1. Классификация пассивных устройств и их характеристики

В состав ВОСП для ее 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 эти устройств являются следующие параметры: коэффициент стоячей волны, вносимое затухание, рабочий диапазон длин волн, допустимый уровень мощности.

Коэффициенты стоячей k_св и бегущей k_бв волн определяют степень согласования устройства с оптическим трактом. Они связаны с коэффициентом отражения  следующим соотношением:

,

г де ; Р_отр и Р_пад - мощности отраженной и падающей волн соответственно. При идеальном согласовании отраженная волна отсутствует, т. е. Р_отр=0,  = 0, k_св = k_бв = 1.

Рассогласование приводит к дополнительным потерям и искажениям передаваемого сигнала. Рис. 18.1 иллюстрирует этот процесс. В результате повторного отражения на выходе оптического устройства, показанного в виде прямоугольника, суммарный сигнал Е не повторяет исходный прямоугольный сигнал. Видно, что в данном случае импульс уширяется.

Вносимое затухание , дБ, определяется логарифмом отношения мощностей на входе Р_вх и выходе Р_вых оптического устройства

Вносимое затухание обусловлено поглощением, рассеянием и отражением оптических волн.

Рабочим называют диапазон длин волн _min…_max или диапазон частот f _min …f _max, в котором основные параметры устройства не выходят за пределы, заданные техническими условиями.

Допустимым считают тот уровень мощности, при котором либо основные параметры не выходят за пределы, заданные техническими условиями, либо не происходят необратимые явления в пассивном устройстве. При прохождении сигнала мощностью выше допустимого уровня устройство может сгореть.

Другие параметры для конкретных устройств определяются исходя из их функционального назначения.

18.2. Устройства ввода и вывода излучения

Устройства ввода и вывода излучения должны обеспечивать передачу максимально возможной мощности от источников света в световод и из световода в фотоприемник. Конструкции таких устройств определяются характеристиками как излучателей и фотоприемников, так и световодов.

Светодиоды могут быть с низкой яркостью и большой площадью излучения (S=0,2...5,6 мм²) и, наоборот, высокой яркостью и малой излучающей поверхностью. Светодиоды с малой излучательной поверхностью и инжекционные лазеры можно непосредственно подсоединять к многомодовому световоду в стык.

Потери на ввод излучения в многомодовое оптическое волокно (МОВ)

где  = (Р_и/Р_св) - эффективность ввода, дБм; Р_и – мощность источника излучения, Вт; Р_св - мощность, введенная в волокно, Вт, А_отр - потери за счет отражения, дБм; А_и - потери на излучение на длине установления стационарного состояния мод, дБм.

Наилучшее и стабильное согласование источника излучения с МОВ достигается за счет покрытия поверхности источника излучения четвертьволновым слоем с (п_ч – показатель преломления четвертьволнового покрытия, п_и – показатель преломления источника излучения, п_св – показатель преломления сердцевины световода) и заполнением зазора иммерсионной жидкостью с п=п_св. При этом потери на отражение пренебрежимо малы.

Значительно увеличить введенную в волокно мощность можно с помощью сферической линзы. Эффективность ввода может быть увеличена до 34%.

В настоящее время сферическая линза конструктивно входит в светодиод или волокно, то есть является ее элементом. В первом случае линза располагается непосредственно на излучающей поверхности. При такой конструкции эффективность ввода обеспечивается подбором оптимального радиуса кривизны и высотой шарового сегмента.

И злучатель с размещенной на его поверхности сферической линзой позволяет повысить эффективность связи примерно на два порядка по сравнению с эффективностью при непосредственной связи. На рис. 18.2 представлено сочленение лазера с ОВ с помощью микролинзы.

Линзы прикрепляются на торце либо лазера, либо волокна и позволяют коллимировать лазерное излучение. Для этого требуются линзы, диаметром несколько микрон. Изготавливаются такие микролинзы из фоторезиста, который наносится и экспонируется непосредственно на торце волокна. Установлено, что цилиндрические линзы более эффективны, чем сферические, поскольку излучающая поверхность лазера имеет вид прямоугольника. Для лазеров и одномодовых волокон такой структуры получается эффективность сочленения 23% со сферической линзой и 34% с цилиндрической. При вводе излучения светодиода в ОВ в большинстве случаев вносимые потери составляют 10-30 дБ.

П ри вводе излучения лазера в ОВ вносимые потери обычно меньше вследствие высокой осевой направленности лазерного излучения и очень малой излучающей площадки. Используя подходящую систему с жидкостью или просветляющим покрытием ОВ и лазера для уменьшения отражения, можно снизить потери на ввод до 2 дБ и меньше.

Одной из проблем ввода излучения в одномодовое оптическое волокно ООВ 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 перспективных устройств ввода является коническое устройство (рис. 18.3). При больших диаметрах торцевой поверхности конуса (1...2 мм) могут появиться моды высших типов. С целью их исключения между торцом конуса и лазером вводится фазокорректирующий элемент - сферическая линза. Такое устройство обладает эффективностью порядка 1,6...2,2 дБ.

Д ля соединения световода с фотодетектором предъявляются менее жесткие требования, чем в случаях соединения светодиода или лазера с волокном. Высокая эффективность ввода между световодом и детектором достигается даже тогда, когда сечение детектора во много раз больше поперечного сечения волокна. Самые малые фотодетекторы имеют квадратную активную область со стороной 0,25 мм, в то время как диаметр сердечника многомодового световода составляет (0,060,12) мм. Поэтому почти все излучение световода попадает на активную поверхность детектора, а потери возникают только из-за отражения.

На рис. 18.4 показан пример осуществления ввода излучения из световода со ступенчатым профилем показателя преломления в приемник.

Световод непосредственно состыкован с приемником и образует вместе с ним единый конструктивный узел. Эпоксидная смола не только обеспечивает механическое соединение, но и вместе с наружным покрытием устраняет внешнюю фоновую засветку.