4. Пассивные элементы волс

4.1. Оптические разветвители (ответвители)

Оптический разветвитель – это пассивный многополюсник с количеством входов - и выходов(портов), обозначается –х. Оптические разветвители бывают двух типов: симметричные (Х-образные), например, 2х2, обычно называемые направленными ответвителями (НО), и несимметричные (Y-образные), например, 1х2. Все остальные - их комбинации, характеризуются функциональным назначением.

Y-образные разветвитель для ответвления заданной части мощности называется ненаправленным ответвителем или разветвителем Т-типа, а если 1х-звездообразным (обычно 1х2, 1х3, 1х4, реже на 5, 6, 7, 8, 9, выходов).

Разветвители бывают направленные и ненаправленные, спектрально-селективные (мультиплексоры и демультиплексоры) и неселективные. Параметры разветвителей рассмотрим на примере Х-образного 2х2 (рис.4.1,а,б). При подаче светового потока на вход 1– вход 4 развязан. Входы 1 и 4 – входные, 2 и 3 – выходные. Коэффициент ответвления , коэффициент направленности; дляY-образного НО при подаче на вход - 2, вносимые потери .

Изготавливаются разветвители из многомодового градиентного или одномодового ВС нужен правильный выбор по диаметру сердцевины.

Выполняются способом сварки с натяжением и контролем требуемого коэффициента ответвления, определяемым L и H (рис.4.1,б).

Рис.4.1. Варианты схем и конструкций оптических разветвителей

Y-образный НО можно получить из Х-образного обрезанием и оплавлением одного конца или сплавлением согласно рис.4.1,д.

На большее число каналов разветвители могут выполняться комбинацией Х и Y-разветвителей (рис.4.1,в,г) или с использованием линз и зеркал. На рис.4.1,е показан один из вариантов звездообразного разветвителя со сферическим зеркалом (1–вход, 2–просветвляющие покрытие, 3–стеклянный стержень, 4–сферическое зеркало, 5–выходные каналы-до 20 каналов). Ответвители могут также использоваться в качестве аттенюаторов.

Конструктивно разветвители могут выполняться в отдельном корпусе или в трубке из керамики или инвара диаметром (3-4)мм и длиной (50-80)мм.

4.2. Оптические аттенюаторы

Оптические аттенюаторы используются для уменьшения мощности и могут быть фиксированными и переменными. Степень ослабления изменяется за счет воздушного зазора между торцами ВС, смонтированных в оптических разъемах (розетках). Фиксированные выпускаются на 5, 10, 15, 20дБ.

Переменные: ММ с пределами регулировки ; ОМ-с точностью.

Например, выпускаются аттенюаторы повышенной точности FC1APC с регулировкой поглощения в переделах и с обратным отражением – 60дБ. Фиксированные аттенюаторы (FM-адаптеры) используются при измерениях.

4.3. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры и фильтры

4.3.1. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры (МП/ДМП) – это устройства для объединения пространственно-разделенных оптических информационных каналов с в один поток с общим направлением при передаче и устройств, выполняющих обратную операцию, при приеме. Они применяются в системах связи с многоволновым уплотнением, в волоконных ОУ, локальных сетях и т.д. Они должны вносить малые потери и обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В основу их работы положены эффекты угловой дисперсии, интерференции и поглощения, чувствительные к длине волны.

Условно МП/ДМП делятся на 2 типа:

I-тип – (обычные) для небольшого количества каналов (каналов, обычноканалов) при разнесении соседних частот(длин волн). Они использовались для ВОЛСI и II поколений при и 1,3мкм. Обозначаются, как CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) или ГМРДВ – грубое мультиплексирование с разделением по длине волны.

IIа-тип–(плотные) – на большое количество каналов для n=4, 8, 16, 32, 64 с (). Обозначаются, какWDM или МРДВ.

IIб- тип – высокоплотные для ,(). Обозначаются, какDWDM (Dence WDM).

Бывают МП/ДМП с параллельным и последовательным разделением каналов.

4.3.2. МП/ДМП I-типа разработаны для старых ВОЛС с разделением, и. Они работают на основе спектральной чувствительности призм, решеток и многослойных пленок.

Рис.4.2. Варианты конструкций МП/ДМП I-типа

На рис. 4.2,а показан призматический демультиплексор. Достоинством такого варианта является простота, а недостатками – большие габариты, значительные потери и высокая стоимость.

На рис. 4.2,б,б представлены МП/ДМП на основе дифракционных решеток. Наиболее распространенный вариант рис. 4.2,в. Угловая дисперсия в этом случае D=, гдеd-шаг решетки – эшелета.

Недостатком является требование высокой монохроматичности источников излучения.

На рис. 4.2,г,д,е представлены конструкции оптических фильтров, комбинация из которых может работать как МП/ДМП.

В двухслойном интерференционном фильтре, показанном на рис.4.2,г, параметры слоев подобраны таким образом, что коэффициент отражения для составляет 0,9, а волнапроходит почти без потерь.

Волоконные фильтры рис. 4.2,д,е работают, как решетки в режиме распределенного зеркала для , и пропускает без потерь остальные длины волн. Решетки формируются или периодической модуляцией диаметра сердцевины, или продольным распределениемn(z), которое записывается ультрафиолетовым излучением в специальном волокне.

На рис. 4.2,ж показана более совершенная схема многослойного пленочного интерференционного фильтра, выполненного на скошенном торце ВС с толщиной слоев . Фильтр пропускает только. Волнаиз направления 2 отражается и так же, какраспространяется в направлении 3, т.е. работает, как МП. При подаче спектраиз направления 3,проходит в направлении 1, а– в направлении 2, т.е. работает, как ДМП.

При большем числе каналов применяется последовательное выделение всех частот.

На практике многослойное покрытие наносится на торец волокна. Российский фильтр такого типа для разделения иимеет потери не более 0,4дБ и перекрестное затухание 30дБ (фирма AOFOT).

Рис.4.3. Конструкция МП/ДМП II – типа

4.3.3. Для МП/ДМП II – типа в качестве дифракционной решетки применена ее разновидность – эшелон Майкельсона. Классический эшелон Майкельсона представляет собой ступенчатую призму из плоских пластин (рис.4.3,а)

В волоконно-оптическом варианте роль призмы играют ВС или ОВ (рис. 4.3,б). Так как коэффициент замедления решетки в данном варианте из-за большого, определяемого, то проявляется очень высокая угловая дисперсия для всех дифракционных максимумов порядкаq

, (4.1)

где q>10000. Мультиплексоры, использующие фазовые решетки, называются волноводными спектральными мультиплексорами (ВСМ) или волноводными сектроанализаторами спектра (ВСА). Разрешающая способность ВСМ представляется, как

, (4.2)

где N–число входов. Для получения равномерного распределения полного светового потока ко всем ОВ нужен коллиматор (фокусирующее устройство).

Для объединения фокусирующего и диспергирующего элемента в одном устройстве можно использовать корректировку длин всех ВС, а разветвление выполнить планарным звездным разветвителем.

На рис.4.3,в показан наиболее распространенный вариант эшелона Майкельсона на основе планарных ОВ или ВС. Пластина 1 играет роль звездного разветвителя на 30-16 каналов. Пластина 2 вместе с волноводной матрицей 3 играет роль диспергирующего и фокусирующего элементов. Полуволновая пластина 4 из материала с двойным лучепреломлением (см. п.р. 7.2) обеспечивает поворот на 90и нужна для компенсации отличия коэффициентов фазы модииз-за имеющегося всегда дву- лучепреломления ОВ. При ориентациипод углом 45набег фаз выравнивается, так как пластина располагается в середине матрицы 3. Каждая спектральная составляющая на выходе распространяется со своим дифракционным максимумом, угловое расстояние между которыми очень малое, а интенсивность заметна в пределах направленности элемента решетки. Вариант рис.4.3,в выполнен на подложке из Si с ОВ, образованный слоем на пластине 4,2х1,7см, и обеспечивает разделение 60 каналов.

Аналогичные МП/ДМП выпускаются с разносом илина 8-48 каналов. Потери 6-9дБ при поляризационных потерях <0,5дБ. Температурные изменения углов достигают 0,011, т.е. нужна стабилизация температуры с помощью микрохолодильника или подогрева с датчиком температуры.

Поэтому, хотя МП/ДМП являются пассивными элементами, они требуют питания. Существует вариант планарного эшелона Майкельсона с одной пластиной и зеркалом, а также другие варианты МП/ДМП II-типа, например, с вогнутым зеркалом.