Оптические системы связи / 3.Волоконно-оптические системы связи (Фриман Р., 2003)

3.7. Изоляторы

Изоляторы — устройства, для которых потери света малы при распространении в одном направлении и велики в противоположном направлении. Изоляторы обычно устанавливают в выходных схемах устройств с высоким уровнем интенсивности света, таких как передатчики на лазерных диодах и усилители EDFA. Их функция — уменьшить уровень сигнала, отраженного назад в используемый лазерный диод или усилитель

EDFA.

Характеристики изолятора определяются следующими критическими параметрами:

-спектральной зависимостью, особенно для так называемых узкополосных изоляторов, которые проектируются для работы в спектральном диапазоне уже, чем 20 нм. Изоляторы описываются пиком ослабления обратного излучения и шириной полосы, лежащей в области 3 дБ ослабления уровня изоляции от максимума этого пика.

-малым уровнем вносимых потерь, <1 дБ в прямом направлении, и большим уровнем потерь в обратном направлении: больше 35 дБ (при одноступенчатой изоляции) и 60 дБ (при двухступенчатой изоляции), и слабой зависимостью от поляризации.

-поляризационной модовой дисперсией (PMD). Изоляторы обычно проектируются на основе использования элементов с высоким уровнем двойного лучепреломления, а они весьма склонны к высокому уровню PMD (типичное значение — 50-100 фс, 1фс = 10-15 с), в особенности для одноступенчатого изолятора. Двухступенчатые изоляторы могут быть спроектированы так, что PMD, вносимая первой ступенью, во многом компенсируется второй ступенью.

-потерями, зависящими от поляризации (PDL). Они ухудшают характеристики оптического изолятора.

В общем случае при проектировании изоляторов используют эффект

Фарадея. Он управляет вращением плоскости поляризации оптического луча в присутствии магнитного поля. Это вращение происходит в том же направлении, что и направление распространение света, параллельно или антипараллельно направлению магнитного поля. Оптический изолятор состоит из цилиндрического стержня из материала с эффектом Фарадея, такого как железоиттриевый гранат (YIG), длина которого выбирается так, чтобы обеспечить вращение на 45°. Этот цилиндрический стержень помещается между двумя поляризаторами, чьи оси скрещены на 45° относительно друг друга. Свет, распространяющийся в одном направлении, проходит через второй поляризатор благодаря эффекту Фарадея. В отличие от этого, свет, распространяющийся в противоположном направлении, блокируется первым поляризатором [3.6]. Уровень изоляции должен быть больше, чем 30 дБ. Отражательная способность оптического изолятора должна быть на уровне 40 дБ и выше.

3.8. Волоконно-оптические фильтры

Оптические фильтры используют механизм селекции длин волн и могут быть грубо разделены на две большие категории в зависимости от того, какой физический механизм положен в их основу: оптической интерференции или дифракции. Существуют фильтры, рассчитанные на выделение фиксированной длины волны, и настраиваемые фильтры. Для настраиваемых фильтров желательно иметь следующие свойства:

-широкий диапазон настройки для максимизации числа каналов, которые могут быть выбраны;

-незначительные перекрестные помехи, чтобы избежать помех от соседних каналов;

-быстрая настройка для минимизации времени доступа;

-малые вносимые потери.

Фильтры выполняют исключительно важную роль в оборудовании WDM/ DWDM на стороне демультиплексора. Стандарт ITU-T G.671 [3.8] рекомендует следующие значения параметров фильтров:

Вносимые потери: максимум 1,5 дБ в полосе пропускания; Вносимые потери: минимум 40 дБ в полосе задерживания; Оптическая отражательная способность: —40 дБ.

Дополнительное обсуждение оптических фильтров см. в гл. 8.

3.9. Оптические кроссы, коммутационные панели и оптические коммутаторы

Коммутационные панели как устройства чрезвычайно просты. Это пассивные панели, которые имеют набор адаптеров (розеток), для соединения с помощью кабелей и их разъединения. Большинство коммутационных панелей допускает возможность подсоединения кабелей с двух сторон, что позволяет достичь большей гибкости при реконфигурации оптических кабелей. Другие коммутационные панели обеспечивают управление кабельным хозяйством, так чтобы сохранить в должном порядке вариант маршрутизации и расположение кабелей.

Коммутационные панели используются также как схемы точек доступа для тестирования и поиска неисправностей. Они используются для реконфигурации оборудования. Если, например, оборудование, или устройство, вышло из строя, то надлежащим образом скоммутированная панель позволяет персоналу легко перенаправить поток с пострадавшего соединения на резервное или на другое оборудование.

Распределительные блоки и шкафы аналогичны коммутационным панелям и отличаются только тем, что имеют дополнительное пространство и позволяют организовать раскладку волокна. Всегда рекомендуется оставлять некоторый технологический запас волокна. Этот запас может

пригодиться, если придется изменить схему соединения. Распределительные блоки обеспечивают место для хранения этого запаса волокна в виде достаточно большой бухты кабеля.

Кроссы, или кросс-соединители//кросс-коммутаторы, существуют в нескольких модификациях. Некоторые техники и полевые инженеры используют термин кросс как синоним коммутационной панели, в которой все операции осуществляются вручную. Мы определим кросс как синоним переключателя световой волны (то есть как синоним кроссс-коммутатора).

Основная цель кросс-коммутатора в сети — реорганизовать звенья связи. Они выполняют изменение маршрута сигнала и используются для конфигурации маршрута или восстановления звена связи. Эти коммутаторы автоматически работают в оптической области, будучи сконфигурированы какими-то управляющими воздействиями. Они используются также в оптических мультиплексорах ввода-вывода. Кроме того они могут быть использованы в оптических маршрутизаторах, осуществляющих маршрутизацию в зависимости от длины волны. Ключевыми параметрами, определяющими показатели коммутаторов и, следовательно, их пригодность для тех или иных приложений, являются:

-вносимые потери и потери на разветвление;

-возвратные потери;

-потери, зависящие от поляризации;

-перекрестные помехи и уровень изоляции;

-надежность;

-время переключения;

-стабильность;

-степень сложности.

В табл. 3.3 перечислены значения параметров передачи для оптических коммутаторов, они взяты из стандарта ITU-T G.671.

Оптическая коммутация рассмотрена более подробно в гл. 17.

Таблица 3.3 Параметры передачи, рекомендуемые для оптических коммутаторов.

a)Двойные значения (а//b) приведены: а — для медленных коммутаторов, b — для быстрых коммутаторов

b)Рассматривается величина 25 дБ, решение зависит от согласованного определения перекрестной помехи.

Источник. Раздел 6.7, Стандарта ITU-T G.671 [3.8].

ГЛАВА 4 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

4.1. Введение

Возвращаясь к рис. 1.1, видим, что линия волоконно-оптической связи состоит из источника света, или передатчика (данная глава), объединенного с детектором света, или приемником (гл. 5), секциями оптоволоконного кабеля (гл. 2), соединенными с помощью оптических разъемов и сростков (гл. 3). Главы 1-5 закладывают основу всему остальному материалу книги.

Современные источники света, или передатчики, состоят из интегральных схем и лазерных диодов (ЛД) или светоизлучающих диодов (СИД). Их излучение модулируется с помощью отдельных интегральных схем, которые в настоящее время в большинстве своем заменили используемые раньше оптические передатчики, собранные из дискретных электрических компонентов и электрооптических устройств. Сегодня на сцену вышли СБИС, чтобы удовлетворить еще более высоким скоростям и повысить надежность. На рис. 4.1 приведена упрощенная блок-схема волоконно-оптического передатчика.

Рис. 4.1. Упрощенная блок-схема волоконно-оптического передатчика.

Существуют два основных типа источников света, применяемых в ВОСП: СИД и ЛД. В этой главе мы рассмотрим их как отдельные элементы, понимая, однако, что они, фактически, формируют узлы описанных выше интегральных схем. Мы также обсудим новый тип источника — VCSEL —

лазер с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью.

4.2. Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды — СИДы, используемые в связи, излучают свет в близкой ИК области. Они недороги, по сравнению с большинством лазеров. Первоначально СИДы использовались с многомодовым волокном, учитывая, что они излучали свет в широком конусе, который мог быть захвачен эффективно только многомодовым волокном, имеющим большую числовую апертуру.

Как описано у Агравала в [4.1], СИД в самом простейшем случае является диодом с р-п гомопереходом, смещенным в прямом направлении. Рекомбинация пар электрон-дырка в обедненной зоне генерирует свет. Часть его выходит из диода и может быть собрана и направлена в оптоволокно. Излучаемый свет некогерентен, имеет достаточно широкий спектр (30-60 нм) и излучается в конусе под относительно большим углом.

Структура СИДа может быть классифицирована как структура с

излучающей поверхностью или с излучающим срезом, в зависимости от того,

излучает ли СИД свет из поверхности, параллельной плоскости перехода, или из среза области перехода. На рис. 4.2 показана конструкция этих двух типов СИДа. Оба типа могут быть сформированы путем использования либо р-п гомоперехода, либо гетероструктуры, в которой активная область окружена слоями подложки р- и n-типов. Диод на основе гетероструктуры обладает лучшими характеристиками. Он обеспечивает управление во всей области эмиссии и позволяет устранить внутреннюю абсорбцию, благодаря прозрачности слоев подложки. Такой СИД очень неэффективен. Даже при надлежащем проектировании, поверхностно излучающий диод может собрать в оптоволокно не более 1% генерируемой внутри мощности.

Рис. 4.2. Поперечный разрез СИДа с излучающей поверхностью (а) и СИДа с излучающим срезом (б)

4.3. Лазерные диоды

Если системные требования не так строги, то в качестве источника света обычно выбирается СИД. Лазерные диоды обычно используются для линий связи большой длины или при большой скорости передачи (выше 155 Мбит/с). Существует несколько типов ЛД (все моды, рассмотренные ниже, продольные — LM):

-многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри—Перо;

-одномодовые (SLM);

-одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами;

-DFB-лазеры с внешним модулятором;

-лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверх-

ностью (VCSEL).

Типы лазеров приведены в порядке их разработки, в этом же порядке они будут рассмотрены ниже.

4.3.1. Многомодовые (MLM) лазеры, или лазеры с резонаторами Фабри—Перо

Многомодовые лазеры, или лазеры с резонатором Фабри-Перо, излучают несколько мод, спектр которых приведен на рис. 4.3. Картина спектра демонстрирует наличие доминантной моды желаемой длины волны и боковые моды меньшей амплитуды, отделенные промежутками шириной примерно в 1 нм. При модуляции излучения лазера модулируется не только основная мода, но и, точно также, боковые моды. Полная ширина спектра оптического излучения такого лазерного источника на уровне половины от максимума (FWHM) при наличии модуляции равна 4-5 нм.

Рис. 4.3. Спектр многомодовых лазеров, или лазеров с резонатором ФабриПеро

Более тщательное изучение спектра лазера показывает, что несмотря на относительную стабильность полной выходной мощности, мощность каждой отдельной моды может значительно изменяться. Это явление, известное как распределение мощности по модам, имеет важное практическое значение. Когда лазерный сигнал передается по волокну, то, с учетом групповой задержки (хроматической дисперсии), зависящей от длины волны, распределение мощности по модам приводит к возрастанию уровня шума в выходном сигнале. В результате в характеристике системы появляется не зависящий от мощности нижний уровень ошибок, который нельзя снизить

путем выделения дополнительной мощности в бюджете системы. Для систем, работающих со скоростями передачи данных большими, чем несколько сотен Мбит/с, на волокне с малыми потерями, это явление может стать основным фактором, ограничивающим длину пролета секции. Более того, даже небольшие отражения (обратно в сторону лазера) от внешних поверхностей оптического разъема, могут вызвать значительные изменения в «поведении» при распределении мощности по модам, а значит и в характеристиках самой системы.

Замечено, что имеется конечная вероятность того, что уровень четных мод, составляющих, в среднем, несколько процентов от общей мощности, может достичь больше половины общей мощности. В этом смысле было бы правильным определить эффективную ширину спектра лазера, как спект-

ральный диапазон, в пределах которого моды, в среднем, могут переносить 1 или больше процентов общей мощности [4.2].

4.3.2. Одномодовые (SLM) лазеры

SLM-лазеры сконструированы так, что потери в резонаторе различны для его различных продольных мод, в противоположность тому, что имеет место для MLM, потери которых независимы от мод. В MLM-лазере продольная мода с минимальными резонаторными потерями достигает порога первой и становится доминантной модой. Другие соседние моды при этом дискриминируются, благодаря их более высоким потерям, которые удерживают нарастание мощности от спонтанного излучения. В этом случае мощность, переносимая этими «вторичными» модами, обычно низкого уровня, меньше 1% полной излучаемой мощности. Если SLM-лазер настроен правильно, то можно ожидать, что первая боковая мода по крайней мере на 30 дБ ниже, чем доминантная мода.