7.4. Волоконно-оптические фильтры

Оптические фильтры (волновые селекторы) предназначены пропускания или отклонения излучения в определенном диапазоне длин волн. В зависимости от пропускаемых длин волн различают фильтры нижних частот (длинноволновые), верхних частот (коротковолновые), заграждающие и полосовые фильтры. Они применяются в WDM системах, волоконно-оптических усилителях и системах мониторинга и контроля ОВ.

Широкое применение находят оптические интерференционные фильтры [5], основанные на интерференции света в многослойных тонких пленках (покрытиях) с различными показателями преломления. Тонкопленочный фильтр состоит из нескольких слоев прозрачного диэлектрического материала с различными показателями преломления, нанесенных последовательно друг за другом на оптическую подложку. На каждой границе раздела между слоями из-за различия их показателей преломления часть падающего светового пучка отражается обратно. Этот отраженный свет усиливает или подавляет падающий (отраженная волна интерферирует с падающей) в зависимости от длины волны. Надлежащим образом подобрав показатель преломления и толщину каждого слоя, можно получить фильтр, который будет пропускать любой заданный диапазон длин волн и отражать все остальные (рис. 7.28).

Рис. 7.28. Интерференционный тонкопленочный фильтр: 1 – падающая волна, 2 – отраженная, 3 – прошедшая

Методы выбора параметров и техника нанесения диэлектрических слоев хорошо известны в оптической промышленности десятки лет. Выбор диэлектрических материалов ограничен, так как многие материалы с хорошими оптическими свойствами имеют физические качества, далекие от требуемых. В общем случае, чем жестче требования к фильтру, тем большее число слоев необходимо нанести на подложку. Несмотря на имеющиеся сложности, эта технология позволяет, незначительно изменяя процесс производства, создавать недорогие фильтры с различными специальными спектральными свойствами.

Различают фильтры с фиксированной частотной (волновой) характеристикой и перестраиваемые фильтры. В последних интерференционный фильтр обычно выполненный в виде пластины или диска наклоняется, перемещается или поворачивается для изменения диапазона пропускаемых или заграждаемых частот (длин волн). Перестройка фильтра может производиться вручную или с помощью электропривода.

К основным параметрам оптических фильтров относятся:

• тип ОВ,

• полоса пропускания, ₁₂,

• полоса задерживания, ₃₄,

• переходная полоса

• вносимое затухание в полосе пропускания, a_в,

• затухание в полосе задерживания (изоляция), a_з,

• возвратные потери, a_об.

Для современных интерференционных фильтров типовые значения вносимых потерь составляют 0.5-0.8 дБ, затухания в полосе задерживания 25-50 дБ, а возвратные потери 50 дБ. У узкополосных оптических фильтров полоса пропускания имеет 1-8 нм, а у широкополосных достигает 60 нм.

7.5. Устройства волнового уплотнения (мультиплексирования)

Устройства волнового (спектрального) уплотнения WDM (Wavelength Division Multiplexing) предназначены для мультиплексирования (объединения) оптических сигналов разных длин волн из нескольких ОВ в одно ОВ или демультиплексирования (разделения) оптических сигналов разных длин волн из одного ОВ в несколько ОВ. Первые WDM появились в начале 90 годов. Они используются для широкополосных ВОСП работающих в дуплексном режиме по одному ОВ (рис. 7.29а) или по двум ОВ (рис. 7.29б) на двух длинах волн 0.85/1.3 или 1.31/1.55 мкм [8]. Наиболее полной характеристикой WDM, также как для разветвителя, является матрица потерь. В таблице 7.3. приведена типовая матрица потерь для WDM устройства 1  2.

а)
б)

Рис. 7.29. Использование мультиплексоров/демультиплексоров WDM для ВОСП, работающих по одному (а) и по двум ВС (б).

Таблица 7.3.

Матрица потерь WDM устройства a_ij

Входы / выходы i	Входы / выходы j, 1=1310 нм			Входы / выходы j, 2=1550 нм
	1	2	3	1	2	3
1	50	25	1.5	50	25	25
2	25	50	25	25	50	1.5
3	1.5	25	50	25	1.5	50

Основными параметрами WDM являются:

• вносимые потери a₁₃ и a₃₁ для ₁ и a₂₃ и a₃₂ для ₂, которые обычно составляют 1.5-3.5 дБ,

• переходное затухание на ближнем конце a₁₂ для ₁ и a₂₁ для ₂, которое лежит в пределах 20-30 дБ;

• переходное затухание на дальнем конце a₃₂ для ₁ и a₃₁ для ₂, которое лежит в пределах 20-30 дБ;

• возвратные потери a₁₁, a₂₂ и a₃₃, которые обычно превышают 50 дБ.

В дальнейшем появились прецизионные узкополосные DWDM (Dense WDM) устройства, позволяющие организовать по двум ОВ до 40 дуплексных каналов со скоростью 2.5 Гбит/c в полосе пропускания эрбиевого оптического усилителя EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), которая лежит в диапазоне длин волн 1528-1661 нм [1]. При этом разность длин волн в соседних каналах составляет 0.8 нм, а частотный интервал между соседними каналами равен 100 ГГц. Реальные системы DWDM в соответствии с сегодняшними потребностями имеют меньшее число каналов 4, 8 или 16 и более широкий частотный интервал между соседними каналами. Это упрощает и удешевляет конструкцию DWDM. Однако в МСЭ уже обсуждается стандартное распределение частот для DWDM на 80 каналов с частотным интервалом между каналами 50 ГГц, что позволит по одному ОВ передавать сигналы со скоростью 200 Гбит/с, а по кабелю с 16 ОВ достичь скорости передачи в дуплексном режиме 1.6 Тбит/c. Для построения DWDM систем наряду с пассивными узкополосными фильтрами требуется создание узкополосных (одночастотных) лазеров, сохраняющих с высокой точностью свою длину волны.

DWDM системы могут также характеризоваться матрицей потерь. Однако, являясь чисто пассивными устройствами, имеют большое вносимое затухание порядка 10-12 дБ при переходном затухании на ближнем и дальнем концах порядка 20 дБ. Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед и (или) после DWDM системы.

Для разделения оптических сигналов в системах спектрального мультиплексирования используются интерференционные фильтры, дифракционные решетки и технология трехмерного оптического мультиплексирования.

В мультиплексорах и демультиплексорах на основе интерференционных фильтров используются обычно одноступенчатые тонкопленочные фильтры, каждый из которых выделяет из составного сигнала (или добавляет в него) один канал. Фильтры расположены под наклоном к оптической оси, чтобы отраженный свет не попадал обратно в систему. Наклонное расположение фильтров изменяет эффективную толщину слоев и меняет таким образом полосу пропускания, что необходимо учитывать при проектировании фильтров. Для обработки многоволновых сигналов используют многоступенчатые системы фильтров, в которых свет, отраженный от каждого фильтра, попадает на вход следующего фильтра, что придает исключительную важность вопросу их выравнивания (рис. 7.30).

Тонкопленочные фильтры имеют достаточно узкую полосу пропускания и используются в системах WDM с 16-ю или 32-мя каналами. В современных системах с более плотным расположением каналов используются другие технологии.

Рис. 7.30. Многоступенчатая система тонкопленочных фильтров для демультиплексирования составного сигнала

Мультиплексор AWG (Arrayed Waveguide Grating) на основе дифракционной решетки на массиве волноводов показан на рис. 7.31а. Он представляет собой два планарных оптических многопортовых разветвителя: входной n  m и выходной m  n. Разветвители соединяются массивом из m световодов, длины которых отличаются на L, то есть L_i+1 = L_i + L. Входной разветвитель расщепляет сигнал, поступивший на любой из входных портов на m входов массива световодов. Выходной разветвитель расщепляет сигнал, пришедший по любой из m световодов на все выходные порты.

Пусть сигнал WDM поступил на вход i входного разветвителя. Рассмотрим, какой сигнал придет на выход j выходного разветвителя, если от порта i до порта j он прошел через световод k. Путь, пройденный сигналом будет равен:

, (7.20)

где - длина световодаk,

L₁ – длина минимального (первого) световода,

- путь между входным портом i разветвителя и входом световода k,

- путь между выходным портом j разветвителя и выходом световода k,

d_i, d_j – длина минимального пути между входными/выходными портами разветвителей и входами/выходами световодов.

Тогда относительная фаза сигнала, пришедшего с порта i на порт j через световод k, составит:

, (7.21)

где n₁ – показатель преломления материала входного и выходного разветвителей, n₂ – показатель преломления материала световодов. Первое слагаемое в этой сумме постоянно. Сигнал в световоде k остается многочастотным. На выходе j в фазе будут складываться те волны, для которых , гдеm – целое число, то есть будет выделяться длина волны .

Известен такой мультиплексор на 102 канала.

а
б

Рис. 7.31. Схемы мультиплексоров на основе дифракционной решетки на массиве волноводов: а) с входным и выходным разветвителями, б) с одним разветвителем и отражающим зеркалом.

С целью уменьшения размеров мультиплексора AWG вдвое была разработана конструкция с одним разветвителем и отражающим зеркалом (рис. 7.31б). Принцип разделения каналов у этого мультиплексора аналогичен только что рассмотренному. Потоки сигналов с выхода массива волноводов отражаются назад в разветвитель, где и происходит интерференция.

Мультиплексор на основе трехмерной технологии 3DO (3-D Optics WDM) показан на рис. 7.32. Его конструкция включает плоскую отражательную дифракционную решетку, вогнутое зеркало и массив волокон, которые размещаются в пазах решетки с фиксированным шагом. Мультиплексированный поток из входного волокна (А) отражается от зеркала и падает на дифракционную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные лучи, снова отражаясь от зеркала, фокусируются в определенных точках, где должны быть расположены приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера показано выделение одного такого канала.

Рис. 7.32. Мультиплексор на основе трехмерной технологии 3DO: а) оптическая схема , б) конструкция.

Конструкция позволяет использовать до 131 канала с шагом 1 нм или до 262 каналов с шагом 0,5 нм, то есть максимальное по сравнению с другими число каналов. Кроме того, она обеспечивает минимальные из всех рассмотренных конструкций вносимые потери.

Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования.