Оптические системы связи / 3_Volokonno-opticheskie_sistemy_svyazi_Friman_R

Эти ответвления достаточно плавные, так что только незначительная часть энергии падающая из любого порта, расположенного слева, отражается назад в любой из портов, расположенных справа. По этой причине указанные устройства часто называют направленными разветвителями.

Используя эту технологию, можно сделать ряд разветвителей, основанных на том, что уровень мощности, перешедшей из одного волокна в другое, может быть изменен путем изменения следующих параметров: Z— длины области связи, через которую осуществляется взаимодействие двух полей; а - радиуса сердцевины в области связи; а - разности радиусов сердцевин в области связи. Созданные на базе этой концепции различные типы разветвителей будут описаны ниже.

Моды низкого порядка продолжают существовать в исходном волокне до тех пор, пока угол падения остается больше критического угла. На выходе оболочечные моды конвертируются обратно в моды сердцевины. При этом коэффициент раветвления определяется длиной разветвителя (в нашем случае — Z, см. рис. 3.6) и толщиной оболочки.

Типичный вариант разветвления мощности в этом случае может быть 50:50, когда одна половина мощности идет на один выходной порт, а другая - на другой. При первом (грубом) варианте анализа выходной мощности разветвителя дает следующее. Допустим, что уровень мощности входного сигнала равен —10 дБм, тогда на каждом из выходов мы, казалось бы, должны получить уровень —13 дБм, что выглядит логично. Однако мы забыли про вносимые потери. Это те внутренние потери, которые вносит сам разветвитель за счет рассеивания мощности внутри него самого. Типичное значение таких потерь — 0,7 дБ. Следовательно, уровень мощности на выходах разветвителя составит —13,7 дБм. Этот тип разветвителя мощности является частью основного класса разветвителей, базирующихся на концепции сплав-

ного разветвителя с биконическими отводами, описанного выше. Многие типы разветвителей могут быть сделаны на основе такого разветвителя, как разветвитель мощности, показанный на рис. 3.7: комбайнеры, Y-переходы,

звездообразные разветвители, направленные разветвители и т.д.

Рис. 3.7. Разветвитель на основе многомодового волокна. (С разрешения компании Australien Photonics CRC, взято из Интернет, [3.5])

Рис. 3.8. Оптический разветвитель на основе одномодового волокна. (С разрешения компании Australien Photonics CRC, взято из Интернет, [3.5])

На рис. 3.8 показан разветвитель, который работает с одномодовым волокном, но является зависимым от используемой длины волны. Когда два разветвителя в варианте с биконическими отводами находятся в тесном контакте друг с другом, как на рис. 3.8, возникает резонансное явление. Световой поток волокна А захватывается сердечником волокна В. Уровень мощности, переданный в волокна В и А, зависит от длины области связи. Световой поток из волокна А может быть захвачен на 100%, т.е. полностью перейдет в волокно В на определенной длине, называемой длиной области связи, или на длине нечетно кратной ей. Длина области связи изменяется в зависимости от длины волны света в волокне. Величина коэффициента разветвления при этом может быть настроена путем выбора нужной длины области связи.

Важным является следствие того факта, что длина области связи зависит от длины волны света в одномодовом разветвителе. Предположим,

что мы передаем по волокну две длины волны: 1300 и 1550 нм. Требуемая длина области связи, для длины волны 1550 нм, больше, чем для длины волны 1300 нм. Это приводит к тому, что свет с длиной волны в 1300 нм полностью (100%) перейдет в сердцевину волокна В из А, а затем вернется из В в сердцевину волокна А. Свет длины волны 1550 нм также полностью (100%) перейдет в сердцевину волокна В из А. Тщательно выбирая длину области связи, можно добиться объединения или разделения двух длин волн. Эта концепция иллюстрируется рис. 3.9.

Рис. 3.9. Разветвитель на основе одномодового волокна, показан процесс разделения длин волн. (С разрешения компании Australian Photonics CRC, взято из Интернет [3.5])

Рис. 3.10. Y-переход или разветвитель 1 2. (С разрешения компании

Australien Photonics CRC, взято из Интернет [3.5])

На рис. 3.10 показан разветвитель, работающий как Y-переход, или разветвитель мощности 1x2. В этом случае, в идеале, световой поток разделяется поровну между двумя выходными плечами. Y-переходы трудно осуществить путем сращивания трех волокон, и, к тому же, полученное устройство будет иметь большие потери. Более практично было бы создать

оптические волноводы со стеклянной подложкой.

Y-переходы можно состыковывать для создания разветвителей 1x4 или 1x8, как показано на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Стыковка Y-переходов друг с другом. (С разрешения компании

Australien Photonics CRC, взято из Интернет [3.5])

3.5.3. Рабочие параметры разветвителей/элементов ветвления

В табл. 3.2 приведены функциональные параметры передачи для волоконно-оптических разветвителей, или элементов ветвления.

Таблица 3.2 Параметры передачи для разветвителей/элементов ветвленияа)

a)Заметим, что устройства 2 n для 2 n 32 находятся в стадии разработки.

b)Предполагается работа в одной или в обеих полосах пропускания; однако, если существует некая длина волны, выходящая за границу полосы пропускания, то значения таких параметров, как потери, применимо для нее только в этой ограниченной полосе.

Источник. Табл. 6.2, с. 11, стандарт ITU-T G.671 [3.8]

3.5.4. Основные определения разветвителей/элементов ветвления Коэффициент разветвления. Коэффициент разветвления (coupling

ratio), или коэффициент расщепления (splitting ratio), определяется как отношение оптической мощности, излучаемой одним выходным портом, к сумме оптических мощностей, излучаемых всеми выходными портами. Коэффициент разветвления измеряется на определенной центральной длине волны. Многомодовые разветвители измеряются с равновесным модовым заполнением.

Центральная длина волны и полоса пропускания. Показатели всех разветвителей меняются в зависимости от длины волны. Спецификация разветвителей обычно распространяется на все окно прозрачности или, в некоторых случаях, на несколько окон. Центральная длина волны является лишь номинальной рабочей длиной волны разветвителя, тогда как полоса частот является диапазоном длин волн, в рамках которого эта спецификация гарантируется.

Критерий выбора полосы пропускания, рекомендуемый компанией Telcordia [3.9], состоит в следующем.

Для не-WDM приложений, работающих в диапазонах 1310/1550 нм и с WDM-элементами ветвления, для всех цифровых приложений, кроме SONET с длинными секциями, должны выполняться следующие требования по ширине обоих рабочих полос в длинноволновой области:

частично подавленной боковой полосой), рекомендуемые полосы следующие:

1290 - 1330 нм и 1530 - 1570 нм Следует заметить, что разработчики оптоволоконных элементов рекла-

мируют в настоящее время различные устройства, частотный диапазон которых простирается много дальше 1600 нм.

Вносимые потери. Определения и обсуждение потерь см. раздел 3.3.1. Типичные избыточные потери. Избыточные потери - это отношение оптической мощности, поступающей на входной порт разветвителя, к общей мощности на выходе любого выходного порта, выраженное в дБ. Типичные избыточные потери - это ожидаемое значение избыточных потерь, измеренное на определенной центральной длине волны. Для многомодовых разветвителей измерения проводятся с равновесным модовым наполнением, (Равновесное модовое наполнение — это условие, накладываемое на многомодовый оптический волновод, при котором распределение относительной мощности (т.е. наполнение) направляемых мод не зависит от длины

волновода [3.10]. Синоним: состояние устойчивого равновесия), (EMF).

Избыточные вносимые потери. В оптическом волноводном разветвителе избыточные вносимые потери - это оптические потери, ассоциируемые с той порцией света, которая не излучается из номинально функционирующих портов данного устройства [3.10].

Однородность. Однородность является мерой того, насколько выходная мощность равномерно распределена между выходными портами разветвителя. Понятие однородности применяется к разветвителям с номинально равными коэффициентами разветвления и определяется как разность между максимальными и минимальными вносимыми потерями, оцененная на множестве всех выходных портов рассматриваемого разветвителя и выраженная в дБ. Однородность задается типовым значением для полосы пропускания в целом. Дополнительные рассуждения относительно однородности приведены в разд. 3.3.9.

Telcordia (см. [3.9]) определяет однородность L как максимальную вариацию вносимых потерь между одним входным портом i и любыми двумя

выходными портами j и k, или между входными портами j и k и одним выходным портом i.

Элементы ветвления, которые предполагается использовать в цифровых системах, работающих на скоростях до 10 Гбит/с, должны иметь следующую однородность:

L 0,8log2 N

где N — число портов разветвителя.

Для систем АМ-ЧПБП однородность определяется так:

L 0,5log2 N

Однородность особенно важна для систем DWDM и АМ-ЧПБП. Направленность, возвратные потери, отражательная способность.

Направленность является отношением оптической мощности, поступающей на входной порт, к оптической мощности, возвращенной с любого другого входного порта. Направленность понимается как степень изоляции на ближнем конце, или перекрестная помеха на ближнем конце. Возвратные потери являются отношением оптической мощности, поступающей на входной порт, к оптической мощности, возвращенной с того же входного порта. Как направленность, так и возвратные потери, выражаются в дБ (положительные значения) и измеряются при условии, что все выходные порты оптически терминированы (заглушены). Отражательная способность численно равна возвратным потерям, но имеет противоположный знак. Во многих случаях отражательная способность и возвратные потери используются как синонимы. Минимальные значения направленности и возвратных потерь являются теми нижними пределами, которые распространяются на весь диапазон длин волн, определенный в полосе пропускания. Дополнительные рассуждения относительно отражательной способности приведены в разд. 3.3.3.

Существуют направленные ответвители с топологией дерева и ветви с коэффициентом расщепления 1 N, 2 2. Направленность достигается с одним основным портом ввода-вывода и двумя ответвленными портами вводавывода. Основное волокно (ствол дерева) может передавать оптическую мощность в двух направлениях. Ответвленные порты при этом являются однонаправленными — оптическая мощность направляется в них к основному или от основного волокна. На рис. 3.13. показан звездообразный разветвитель отражающего типа.

3.6. Оптические аттенюаторы

Аттенюатор — устройство, которое уменьшает интенсивность светового сигнала, прошедшего через него. Аттенюаторы часто используются в качестве звена в схеме после лазерного передатчика, чтобы согласовать его выходную мощность с уровнем, требуемым следующими за ним в этой схеме устройствами, такими как усилители EDFA (см. гл. 7). Нужно тщательно выбирать тип аттенюаторов так, чтобы они имели отличные параметры возвратных потерь (их уровень д. б. > 40 дБ), чтобы быть уверенным, что уровень света, отражаемого обратно в направлении передатчика, будет очень низок.

Другими ключевыми параметрами аттенюаторов являются:

-стабильность;

-надежность;

-оптические возвратные потери (ORL);

-потери, зависящие от поляризации (PDL);

-точность;

-повторяемость;

-вносимые потери;

-поляризационная модовая дисперсия (PMD).

Одно из наиболее простых применений — короткие оптоволоконные секции, где уровень интенсивности света настолько высок, что выходит за границы динамического диапазона детектора света (приемника). В такой схеме можно поставить аттенюатор, для уменьшения интенсивности света до уровня, соответствующего динамическому диапазону используемого приемника.

Другим примером является применение аттенюатора в системах WDM, где мощность каждого канала подстраивается так, чтобы обеспечить плоскую спектральную характеристику светового сигнала, поступающего на первый в линии усилитель EDFA. Следовательно, плоская спектральная характеристика в пределах ширины полосы канала также является ключевым параметром аттенюатора [3.7].

Существуют оптические аттенюаторы с переменным (VOA) и фиксированным коэффициентом ослабления, иногда называемые демпфирующими прокладками.

3.6.1. Основные рабочие параметры аттенюаторов

Допуск на вносимые потери должен быть не больше, чем ±15%. Для аттенюаторов с фиксированным коэффициентом ослабления обычно используется следующий ряд коэффициентов ослабления (вносимых потерь): 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30 дБ. Значение оптической отражательной способности должно, максимально, быть на уровне —40 дБ. Диапазон рабочих длин волн аттенюаторов должен составлять, максимально, от 1360 до 1580 нм, минимально — от 1260 до 1480 нм. Типичная ширина полосы рабочих длин волн составляет 1310-1580 нм. Уровень потерь аттенюаторов, зависящий от поляризации (PMD), не должен быть выше 0,3 дБ.