10.6 Волоконно-оптические циркуляторы

Эффект Фарадея применяется еще в одном волоконно-оптическом устройстве – оптическом циркуляторе. В отличие от двух портовых оптических изоляторов, имеющих один вход и один выход, оптические циркуляторы являются 3 или 4 портовыми, то есть они могут иметь один вход и два выхода, или два входа и один выход. На рисунке 10.6 а и б представлены схемы соответственно 3 и 4 портовых циркуляторов.

Рисунок 10.6

Циркулятор, соответствующий рисунку 10.6а (Y-циркулятор), обладает следующими свойствами: излучение, входящее в порт 1, проходит к порту 2, но излучение, введенное в порт 2, не возвращается в порт 1, а проходит в порт 3, излучение, введенное в порт 3, в порт 2 не проходит.

Циркулятор, выполненный по схеме 10.6б, обладает следующими свойствами: излучение, введение в порт 1, проходит к порту 2, излучение, введенное в порт 2, выходит из порта 3, излучение введение в порт 3, проходит в порт 4, а введенное в этот порт 4 – выходит из порта 1, таким образом, этот тип циркулятора представляет собой два циркулятора Y-типа, соединенные параллельно. Принцип работы циркулятора аналогичен принципу работы изолятора. Отличие состоит в том, что кроме элементов, имеющих в изоляторе, в циркулятор введена трехгранная линза, которая пропускает излучение в одном направлении по прямой, и в противоположном направлении отклоняет его на 90º. Оптические циркуляторы имеют следующие характеристики: вносимые потери <1,2 дБ, перекрестные помехи <-59 дБ, обратные отражения <-50 дБ.

10.7 Оптические мультиплексоры/демультиплексоры

Системы ВОСП с многоволновым уплотнением – WDM, DWDM были бы невозможны без устройств объединения пространственно разделенных оптических информационных потоков с в один поток с общим направлением (на передаче) и устройств, выполняющих обратную операцию (на приеме). Эта задача решается с помощью мультиплексоров/демультиплексоров.

По характеру решаемой задачи мультиплексоры можно разделить на два типа: мультиплексоры, объединяющие небольшое количество спектральных каналов (~4 канала) при расстоянии между каналами по длине волны не менее 20 нм; мультиплексоры, объединяющие количество спектральных каналов более 4х-8, 12, 32 и более при расстоянии между спектральными каналами 0,4 1,6 нм.

Первый тип мультиплексора основан на использовании интерференционных фильтров – пластин с многослойным покрытием. Толщина каждого слоя равна (0,025 0,5)λ. На рисунке 10.7 представлена схема работы такого мультиплексора.

Рисунок 10.7

Оптический поток с длиной волны λ₁ падает на многослойную пластину, наклоненную под углом к падающему лучу. Угол наклона и толщина слоев выбрана такими, чтобы для волны λ₁ пластина была прозрачной. В результате луч с учетом потерь проходит через пластину (для других длин волн пластина непрозрачна). При падении на пластину луча с λ₂ в точке выхода первого луча, он отразится от пластины и при правильном выбранном угле падения будет распространяться в том же направлении, что и λ₁. В реальных мультиплексорах в качестве многослойной пластины используется торец оптического волокна под углом 30 45º с нанесенными на него слоями покрытия.

Мультиплексоры этого типа применяются в волоконно-оптических усилителях и в малоканальных системах ВОЛС.

В высокоскоростных ВОСП и технологии DWDM применяются оптические мультиплексоры, основанные на использовании дифракционных фазовых решеток. В качестве дифракционной фазовой решетки в таком мультиплексоре применена ее разновидность – эшелон Майкельсона. Эшелон Майкельсона представляет собой сложенные одна на другую параллельно пластины разной длины, но разность должна быть постоянной. Сложенные пластины образуют единую прозрачную призму, одна грань которой плоская, противоположная – ступенчатая с одинаковыми ступеньками. Пройдя через призму, лучи на указанных ступеньках дифрагируют. Угол дифракции зависит от длины волны (при постоянных размерах ступенек). В мультиплексорах для ВОСП функции пластин выполняют оптические волноводы. Мультиплексоры, использующие фазовые решетки, получили название – дифракционные решетки на массиве волноводов (AWG).

На рисунке 10.8 изображен вариант эшелона Майкельсона.

Рисунок 10.8

Каждый поток должен падать на все торцы волноводов. Для этого применяются оптические элементы, коллемирующие или фокусирующие оптический поток. На рисунке 10.9 показано устройство мультиплексора. Оптический поток, представляющий собой сумму отдельных потоков на , поступает на коллемирующий элемент (первая пластина), в которой проходит распределение энергии на все торцы волноводов, образующих волноводную матрицу (эшелон Майкельсона). С его выхода подается на вторую пластину, распределяющую отдельные потоки, каждый на своей длине волны , на торцы соответствующих волокон. Все перечисленные элементы расположены на кварцевой подложке. В таком мультиплексоре потери энергии происходят как при вводе, так и при выводе излучения в волноводную пластину (1ю и 2ю) в месте стыка этих пластин с волноводной матрицей, в изгибах волноводов, составляющих эту матрицу.

Рисунок 10.9

Из рисунка и описания работы AWG понятно, что это устройство обладает свойством обратимости, то есть одно и то же устройство может выполнять функцию объединения пространственно разделенных потоков с длиной волн в один поток (мультиплексор) или наоборот – функцию пространственного разделения единого оптического потока на отдельные потоки с соответствующими длинами волн.

Следует отметить, что в системах DWDM каждый спектральный канал занимает малую полосу частот или длин волн (менее 50 гГц или 0,4 нм), поэтому очень высокие требования предъявляются не только к стабильности частоты излучения, но и к стабильности частотных характеристик оптических элементов, в особенности мультиплексоров/демультиплексоров. Среди прочих характеристик мультиплексоров нормируется величина температурной зависимости ухода настройки частоты – 0,011 нм/град. При такой величине ухода, если температура мультиплексора изменится на 20…40ºС, его частота настройки уйдет на 0,2…0,4нм, то есть на целый межканальный интервал, что приводит к срыву работы системы.

Для устранения этого недостатка оптические мультиплексоры содержат элементы стабилизации температуры.