4.4. Оптические компоненты

Оптические соединители. Оптический соединитель представляет собой устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта ВОСП в местах ввода или вывода излучения в оптическое волокно. Такими местами являются: оптические соединения оптоэлектронных модулей (передающего и приемного) с волокном кабеля, соединения отрезков оптических кабелей между собой, а также с другими компонентами, например оптическими разветвителями. Оптические соединители используют и при проведении различных измерений для: подключения измерительных приборов. Различают разъемные и неразъемные соединители. Разъемный оптический соединитель допускает многократное оптическое соединение, а неразъемный — только однократное соединение. Неразъемные соединители используют при постоянном монтаже оптических кабелей, а разъемные соединители — в тех местах, где приходится производить неоднократные оптические, соединения. Поскольку для постоянного монтажа оптических кабелей в настоящее время почти исключительно применяют сварные соединения, то ограничимся кратким рассмотрением разъемных соединителей, предварительно отметив основные требования, предъявляемые к оптическим соединителям.

Основные требования к оптическим соединителям: малые вносимые потери, устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям, высокая надежность и простота конструкции. Дополнительно к разъемным соединителям предъявляют требование неизменности параметров при повторном соединении. Кроме того, любая их целесообразная конструкция по возможности должна исключать необходимость дополнительной юстировки.

Потери в соединителях в основном возникают из-за несовмещенности и несоосности элементов конструкции. Поэтому для получения малых потерь необходимо обеспечить высокую точность изготовления всех деталей соединителя, ответственных за точность оптической юстировки. Например, для одномодовых соединителей точность обработки деталей обычно лежит в пределах долей микрона, что достаточно сложно обеспечить. Для уменьшения отражений, которые влияют на работоспособность высокоскоростных ВОСП, в соединителях таких систем применяют просветление торцов волокон и иммерсионные жидкости.

При соединении оптических волокон с одинаковыми номинальными размерами сердцевины и одинаковым распределением показатели преломления по радиусу волокна наиболее эффективно соединение торец в торец (торцевое сочленение). Основной задачей при торцевом сочленении является обеспечение строгой соосности, идентичности геометрии торцов, перпендикулярности их поверхностей оптическим осям и высокая степень гладкости торцов.

На рис. 4.20 показаны возможные дефекты при торцевом соединении оптических волокон. Коэффициент передачи оптической мощности излучения от одного волокна в другое в идеальном случае при отсутствии дефектов сопряжения K=1. Если имеют место дефекты сопряжения, то при радиальном смещении, угловом смещениии осевом смещении, гдеиd— апертурный угол и диаметр волокна;— угол смещения;s— расстояние между торцами волокон;— радиальное смещение.

Приведенные выражения достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами при относительно малых значениях ,иs,aименно<<1,и<. При этих значениях дополнительные потери, вносимые рассогласованностью соединяемых волокон, могут быть определены соответственно по формулам,,, дБ.

Исследования показывают, что наиболее жесткие требования предъявляются к радиальному и угловому смещениям. Наличие зазора между торцами волокон влияет на дополнительные потери существенно меньше. Конструкции разъемных соединителей весьма разнообразны, но условно могут быть разделены на два типа: симметричный и несимметричный. На рис. 4.21 схематически, показаны конструкции таких соединителей. Конструкция несимметричного штекерного соединителя состоит из двух частей: вилочной (штыря) и розеточной (гнезда).

Рис. 4.20. Смещение волокон при торцевом соединении оптических волокон:

а — радиальное; б — угловое; в — осевое

Рис. 4.21. Разъемные соединители:

а — несимметричный штекерный; б, в — симметричные штекерные:, 1 — стальные трубки; 2 — гнездо; 3 — штырь; 4 — капилляр; 5—эпоксидный компаунд.

Рис. 4.22. Оптическая схема соединителя с шариковыми микролинзами (а)

и фокон (б)

В гнездо и штырь вставляют заранее подготовленные концы волокон, зафиксированные в стальных или стеклянных трубках (капиллярах), которые надевают на оболочку волокон, образуя оптический наконечник. Торцы волокон тщательно шлифуют и полируют. После выполнения операции соединения сопрягаемые поверхности плотно соприкасаются друг с другом, а торцы волокон оказываются разделенными очень небольшим зазором.

В конструкции соединителя симметричного типа на концах соединяемых волокон монтируют два одинаковых штыря. Гнездо соединителя не содержит оптических деталей и служит лишь направляющим устройством, в которое с двух сторон симметрично входят штыри. Точность взаимного расположения торцов волокон обеспечивается сопрягаемыми поверхностями гнезда и штырей. Для фиксации положения вилочной и розеточной частей в обоих типах соединителей используют гайки с накаткой, накручиваемые на поверхность розеточной части, имеющей резьбу (на рис. 4.21 не показано). Средние потери, вносимые такими соединителями, составляют около 1 дБ, что достигается прецизионной технологией обработки деталей.

В оптических соединителях с юстировкой соединяемые волокна или наконечники располагают внутри двух эксцентричных втулок, что дает возможность их юстировки путем поворота вилки относительно розетки. Эксцентриситет в одномодовых соединителях составляет примерно Iмкм, а вносимые потери меньше 1 дБ. Недостатком таких соединений является необходимость юстировки и ее контроль.

В ряде случаев в конструкциях соединителей оптических волокон применяют микролинзы (шариковые и цилиндрические). Пример оптической схемы соединителя с шариковыми микролинзами показан на рис. 4.22, а. Использование шариковых микролинз повышает эксплуатационные характеристики соединителя ввиду низкой чувствительности к загрязнениям. Недостатком соединителей на микролинзах является увеличение вносимых потерь. Микролинзы, а также фоконы (рис. 5.22,6)* часто применяют в розеточной части соединителей, устанавливаемой на корпусах оптоэлектронных модулей, ответвителей и др. В этом случае применение этих элементов в модулях существенно снижает потери ввода-вывода излучения при соединении кабеля с излучателем и фотоприемником.

Краткие сведения о характеристиках разъемных соединителей, выпускаемых зарубежными фирмами, приведены в табл. 4.10.

Оптические разветвители. Оптические разветвители играют важную роль как при построении ВОСП, так и в решении частных задач (организация контроля и измерений, оптическая обратная связь и др.). Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов распределяется между его остальными оптическими полюсами. В частном случае разветвитель, имеющий три оптических полюса, называется ответвителем.

* Фокон—короткий отрезок оптического волокна переменного диаметра.

Таблица 4.10

Фирма-изготовитель	Марка	Тип кабеля*	Размеры волокна (сердцевина-оболочка), мкм	Число соединяе-мых волокон	Вносимые потери, дБ	Дополнитель-ные потери**, дБ
Amphenol	905 (SMA) 801 942 (FSN)	M М О, М	Широкий диапазон 50/125; 100/140 9/125; 50/125; 62,5/125	1 4 или 8 1	1,00 1,50 0,70	0,2 0,2 0,1
Fiber Optek Interconnect Corp.	SMB-01 MMB-OI	О М	8/125 50/125; 62,5/125; 100/140	1 1	<1,00 <1,00	0,3 0,3
Hitachi Cable Ltd.	HFC-701 HFC-602	М М	50/125; 85/125 50/125; 85/125	1 1	0,70 1,00	0,7 1,0
GTE Fiber Optic Products	PC D4 FC	О О М	—/125 —/125 50/125; 62,5/125; 85/125	1 1 1	<0,5 <1,00 <0,70	<0,5 <1,0 <0,7
Interoptics/ Diamond	GFS-3 MMS-3/0	М О	50/125; 100/140 4/80; 8/125	1 1	0,60 0,60	0,6 0,6
NEC Corp	OD93I2 OD9313 OD9414/ /9424	О М О	10/125 50/125; 62,5/125; 80/125 10/125	1 1 1...12	<1,00 <1,00 <1,00	—

* О — одномодовый, М — многомодовый.

** После 500 включений.

Различают направленные и ненаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные . к длине волны (спектрально-селективные) и нечувствительные (неселективные). В направленном разветвителе коэффициенты передачи между оптическими полюсами зависят от направления распространения оптического излучения, а в спектрально-селективном разветвителе— от длины волны. Направленные и спектрально-селективные разветвители позволяют организовать двухстороннюю передачу сигналов по одному волокну (соответственно по принципу однополосной двухпроводной и двухполосной двухпроводной системы). Спектрально-селективные разветвители используют также в системах спектрального уплотнения.

Общими требованиями, предъявляемыми к параметрам направленных разветвителей, являются: малые потери, высокое переходное затухание между встречными направлениями передачи, а также сохранение состояния поляризации для одномодовых разветвителей и модового состава распространяющегося излучения для многомодовых разветвителей. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют разветвители, полученные путем сплавления оптических волокон в монолитную конструкцию.

Рис. 4.23. Направленные сплавные разветвители:

а — Х-типа; б — Y-типа

Рис. 4.24. Разветвители на цилиндрических градиентных линзах

(1, 2, 3 — оптические полюса, выполненные в виде отрезков волокон)

Рис. 4.25. Ход лучей в цилиндрической градиентной линзе при падении луча:

а — осевом; б — неосевом

Важными достоинствами сплавных разветвителей, конструкции Х- и Y-типа которых схематически показаны на рис. 4.23, являются механическая прочность и стабильность (на рисунке цифрами обозначены оптические полюса).

Деление мощности с помощью разветвителя Х-типа характеризуется следующими параметрами: коэффициентом ответвления , дБ; коэффициентом направленности, дБ; вносимыми потерями, дБ.

Для разветвителя (ответвителя) Y-типа коэффициент ответвления и вносимые потери определяются аналогичными соотношениями, а коэффициент направленности, дБ, где— мощность оптического излучении на оптическом полюсе 3 при подаче излучения мощностина оптический полюс 2.

Помимо сплавных разветвителей часто используют разветвители с цилиндрическими градиентными линзами. Две конструкции таких разветвителей показаны на рис. 4.24. Цилиндрическая градиентная линза представляет собой отрезок градиентного волокна с параболическим профилем показателя преломления. Однако в отличие от оптического волокна она имеет больший диаметр (порядка 1...2 мм) и не имеет оболочки. Распределение показателя преломления цилиндрической градиентной линзы в радиальном от оси направлении задается параметром g, который называется степенью фокусирования, и определяется выражениемпри, где— показатель преломления на оси.

Ход лучей, распространяющихся в такой линзе при осевом и неосевом падении луча, показан на рис. 4.25. Синусоидальная траектория распространения имеет период , называемый шагом или фокусным расстоянием линзы. Изменяя параметрg, можно управлять фокусным расстоянием. Плоские торцы цилиндрической градиентной линзы позволяют строить на ее основе разнообразные механически прочные и компактные оптические устройства (согласующие соединители для передачи излучения от лазерного диода а волокно, разветвители и др.).

Характеристики некоторых неселективных разветвителей отечественного и зарубежного производства приведены в табл. 4.11.

Таблица 4.11

Фирма-изготовитель	Марка	Тип	Тип кабеля	Длина волны, мкм	Коэффициент ответвления, дБ	Коэффициент направленности, дБ	Вносимые потери, дБ
ИОФАН (г. Москва)	—	X	О	0,8... 1,6	3	>70	≤0,1
НИИ ПФ (г. Ташкент)	—	X	О, М	0,6... 1,55	3 (для одномо-довых). 2 {для многомо- довых)	>40	<0,2
JDC Optics	ACS11 ACS19	Y Y	О М	1,2... 1,35 1,2... 1,35	3 0,4	30 30	<1 <1
NEC Corp.	OD-8606K OD-8606L OD-8607K OD-8607L	————	М М О О	0,85... 1,3 0,85... 1,3 1,3... 1,55 1,3... 1,55	3 0,4 3 0,4	>35 >35 >40 >40	<1,5 <1.5 <2,0 <2,0

Спектрально-селективные разветвители строят в основном на интерференционных фильтрах и дифракционных решетках. В спектрально-селективных разветвителях на интерференционных фильтрах осуществляется последовательное разделение (объединение) стволов, поэтому их увеличение вызывает пропорциональное увеличение числа элементов (фильтров, линз) и соответственно потерь излучения.

Рис. 4.26. Спектрально-селективный разветвитель на дифракционной решетке:

1 — выходные ОВ; 2 — входное ОВ; 3 — кассета; 4 — дифракционная решетка; 5 — микрообъектив

Рис. 4.27. Профиль штриха дифракционной решетки и ее установка по автоколлимационной схеме

Следовательно, их целесообразно использовать в тех случаях, когда число стволов невелико (2...4). При большем числе стволов применяют спектрально-селективные разветвители на дифракционных решетках, достоинством которых является параллельное разделение (объединение) стволов на одной решетке. Конструкция разветвителя на дифракционной решетке показана на рис. 4.26. Ее основные элементы — дифракционная решетка, обладающая высокой эффективностью дифракции света в рабочем диапазоне длин волн, высококачественный микрообъектив и кассета с плотно уложенными в ней выходными и входными оптическими волокнами, торцы которых расположены в фокальной плоскости объектива. Такая конструкция представляет собой, по сути, мини-спектрограф автоколлимационного типа по схеме Литроу. Линейная дисперсия в фокальной плоскости для данной конструкции разветвителя определяется соотношением , гдеF— фокусное расстояние объектива;D— период решетки;— угол дифракции относительно нормали к решетке (угол блеска). Изображенная на рис. 4.26 дифракционная решетка является отражательной. Такую решетку часто называют также концентрирующей» или «блестящей». Это название связано с тем, что для отражательной решетки максимальная интенсивность дифрагировавшегося излучения наблюдается в направлении луча, зеркально отраженного от одной из плоскостей штриха решетки. При работе решетки в автоколлимационном режиме угол дифракции равен углу блеска (рис. 4.27). Порядок дифракционного спектраm, в котором будет наблюдаться максимальная интенсивность излучения с длиной волныопределяется выражением. Обычно работу дифракционной решетки используют в первом и втором порядках спектра.

Рассмотренная конструкция спектрально-селективного разветвителя является достаточно громоздкой и механически нестабильной. Более компактная и стабильная конструкция получается путем объединения дифракционной решетки и коллимирующей оптики в одно целое с помощью цилиндрической градиентной линзы (рис. 4.28). К цилиндрической градиентной линзе с одной стороны через призму-вставку (она не является здесь диспергирующим элементом) приклеена дифракционная решетка, а с другой стороны—оптические волокна. Плоская поверхность торцов линзы позволяет приклеить внешние элементы, обеспечив тем самым жесткую конструкцию.

Рис. 4.28. Разветвитель на дифракционной решетке с градиентной линзой: 1 — оптические волокна; 2 — цилиндрическая градиентная линза; 3 — призма-вставка; 4 — дифракционная решетка

Рис. 4.29. Разветвители на интерференционных фильтрах: а — конструкция из трех отрезков волокна; 6, в — конструкции с градиентными линзами

Некоторые конструкции спектрально-селективных разветвителей на интерференционных фильтрах показаны на рис. 4.29. В конструкции из трех отрезков оптического волокна для фиксации их положения на подложке имеются V-образные канавки. Торцы волокон полированы, а их плоскости покрыты многослойными интерференционными фильтрами, представляющими собой чередующиеся слоии. Интерференционный фильтр на скошенном торце входного волокна позволяет разделить излучение двух длин волн по направлениям, а фильтры на торцах выходных волокон представляют собой фильтры нижних и верхних частот. Хотя эти фильтры незначительно (на ~0,1 дБ) увеличивают потери в устройстве, зато существенно снижают уровень переходных помех (до -40 дБ и ниже при разделении=0,85 мкм и= 1,3 мкм).

В качестве примера рассмотрим технические характеристики отечественного спектрально-селективного разветвителя УСОД-0,85/1,3. Этот разветвитель построен на интерференционном фильтре и имеет три оптических полюса. Он позволяет осуществить как разделение, так и объединение двух оптических сигналов с несущими на волнах 0,85 и 1,3 мкм. Величина вносимых потерь составляет 3,5 дБ на длине волны 0,85 мкм и 4,5 дБ на длине волны 1,3 мкм, а величина переходного затухания между оптическими полюсами с разными длинами волн лежит в пределах 30... 50 дБ в зависимости от направления передачи. Применение разветвителя УСОД-0,85/1,3 позволяет доуплотнить ранее проложенные оптические кабели, повысив тем самым эффективность их использования. При этом значительное переходное затухание исключает ухудшение качества передачи по цифровым оптическим стволам.

Характеристики некоторых зарубежных спектрально-селективных разветвителей приведены в табл. 4.12.

Оптические изоляторы. В высокоскоростных ВОСП для защиты лазерных диодов от паразитных отражений со стороны кабеля применяют оптические изоляторы. Оптические изоляторы обеспечивают пропускание излучения в одном направлении почти без потерь, в другом (обратном) направлении их затухание велико. Необходимость применения таких устройств объясняется тем, что отраженное излучение, возвращаясь в лазерный диод, нарушает стабильность условий генерации в активной области и повышает тем самым уровень шума.

Таблица 4.12

Фирма-изготовитель	Марка	Число оптичес-ких полюсов	Тип кабеля	Диапазоны длин волн, мкм	Переходное затухание, дБ	Вносимые потери, дБ
JDC Optics	WD1315	3	О, М	1,27. .. 1,36 1,47... 1,60	>30	<2,5
	WD813	3	М	0,8... 0,9 1,15... 1,60	>20	<2,0
	WD1213A	3	О, М	1,20. . . 1,24 1,31... 1,35	>25	<3,0
	WD1213B	3	О. М	1,18... 1,22 1,27... 1,36	>25	<3,0
NEC Corp.	OD-8677	5	М	0,796 ... 0,804 0,826 ... 0,834 0,856 ... 0,864 0,886 ... 0,894	≥20	≤5,0
	OD-8678A	3	М	0,79 ... 0,91 1,15... 1,35	>35	≤2,0
	OD-8678B	3	М	1,2 1,3	>30	≤3,0
	OD-8678D	3	М	0,74... 0,81 0,84 ... 0,89	>40	≤3,0

В основе работы оптического изолятора лежит электрооптический эффект Фарадея. Этот эффект является невзаимным, т. е. поворот плоскости поляризации излучения, проходящего через магнитооптический материал, под действием внешнего магнитного поля однозначно связан не с направлением распространения излучения, а с направлением намагниченности среды. С помощью поляризатора и анализатора, установленных по обе стороны ячейки Фарадея, невзаимность эффекта можно преобразовать в невзаимность пропускания, что и используется в оптическом изоляторе. Конструкция такого изолятора схематически показана на рис. 4.30. В этой конструкции поляризатор и анализатор располагаются так, что их оптические оси скрещены под углом 45°. Поляризация входного луча совпадает с оптической осью поляризатора, и поэтому он проходит через ячейку Фарадея, в которой плоскость поляризации поворачивается на 45° и далее выходит через анализатор. При распространении отраженного излучения в обратном направлении та его часть, поляризация которой совпадает с оптической осью анализатора, снова проходит через ячейку Фарадея, но в обратном направлении. Плоскость поляризации этой части отраженного излучения в ячейке Фарадея снова поворачивается на угол 45°, так что плоскость поляризации оказывается ортогональной оптической оси поляризатора. Поэтому поляризатор не пропускает отраженное излучение.

Рис. 4.30. Оптический изолятор:

1 — поляризатор; 2—ячейка Фарадея; 3 — анализатор

Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~1...2 дБ) и высокая развязка в обратном направлении (>20 дБ). Кроме того, должны обеспечиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн и стабильность параметров при изменении температуры. В диапазоне длин волн 1,3... 1,55 мкм магнитооптическим материалом, используемом в ячейке Фарадея, является железоиттриевый гранат (). На длине волны 0,85 мкм используют парамагнитное стекло.

Параметры оптических изоляторов, выпускаемых в Японии корпорацией NEC, приведены в табл. 4.13.

Таблица 4.13

Параметр	OD-8312	OD-8313	OD-8313-C
Вносимые потери, дБ Развязка, дБ Рабочая длина волны, нм Материал ячейки Фарадея Размеры, мм	1,5 25 850+30 Парамагнитное стекло 242335	1,5 20 1300 ±50 101413	1,5 20 1550 ± 80 101413