30. Розгалужувачі. Принцип дії. Призначення і пристрій.

У волоконно-оптичної техніки часто виникають завдання поділу та / або об’єднання потоків оптичного випромінювання (наприклад, при використанні хвильового мультиплексування для здійснення двосторонньої передачі по одному каналу), відведення частини оптичного випромінювання з основного каналу передачі (наприклад, для цілей вимірювання або моніторингу) та інші . Такі завдання вирішуються за допомогою волоконно-оптичних розгалуджувачів.Розгалуджувачі знаходять застосування в оптичних глобальних і локальних мережах передачі голосу і даних, інформаційних мережах і в мережах кабельного телебачення. У зв'язку з постійним зростанням цих мереж, зростає і попит на волоконно-оптичні розгалужувачі.

Іншими областями застосування розгалуджувачів є вимірювальні системи, прилади та датчіки. Принцип роботи оптичних розгалуджувачів і створених на їх основі мультиплексорів-демультіплексорів заснований на відкритті, зробленому д.т.н. Д.І.Міровіцкім і його колегами в 1959 році: "Явище спрямованого розгалуження електромагнітної енергії лініях з уповільненими хвилями" [1]. Воно заклало основи створення пристроїв для ділення (розгалуження) електромагнітної енергії випромінювання, в тому числі і в оптичному діапазоні. Оптичний розгалужувач представляє собою пасивний оптичний багатополюсників, що має Nвх вхідних і Nвих вихідних оптичних портів (точок введення або виведення оптичного випромінювання). Оптичне випромінювання, що подається на вхідні порти, розподіляється між його вихідними портами. Розгалужувачі бувають двох типів:

- Симетричні (X-подібні), наприклад, найпростіший з них типу 2х2 (2 входи і 2 виходи);

- Несиметричні (Y-образні), наприклад, найпростіший з них типу 1х2 (1 вхід і 2 виходи).

Всі інші розгалужувачі є окремими випадками зазначених двох типів і характеризуються функціональною спрямованістю. Так, найпростіший розгалужувач Y-типу (1х2), призначений для відділення заданої потужності оптичного випромінювання, називається відгалужувачі, або ж перехідником Т-типу. Розрізняють також:

- Спрямовані розгалужувачі, у яких коефіцієнт передачі між оптичними портами залежить від напрямку розповсюдженням оптичного випромінювання;

- Ненаправлені розгалужувачі, у яких такої залежності немає;

- Спектрально-селективні розгалужувачі, чутливі до довжини хвилі випромінювання;

- Неселективні розгалужувачі, нечутливі до довжини хвилі випромінювання.

31. Спектральні мультиплексори. Принцип дії. Призначення і пристрій.

Інтенсивний розвиток ВОЛЗ і необхідність передавання за допомогою волоконного світловода великих потоків інформації вимагають повного використання всієї смуги пропускання зі зниженням вартості одиниці переданої інформації. Для цього існує декілька способів: часове ущільнення, спектральне ущільнення. Часове ущільнення не здатне задовольнити зростаючу потребу в кількості й швидкості переданої інформації, тому що гранична швидкість передачі становить близько 40 Гбіт/с.

Найбільш перспективною і здатною забезпечити необхідні швидкості й обсяги переданої інформації є технологія спектрального мультиплексування (демультиплексування). За даною технологією реалізуються різні конструкції демультиплексорів. Деякі з них здатні ущільнювати інформацію від одиниць і до декількох сотень оптичних каналів [36].

Класифікація мультиплексорів і демультиплексорів. Приймемо наступну класифікацію мультиплексорів: за областю застосування, за принципом побудови схеми (технологією виготовлення), за принципом поділу оптичних каналів, за принципом дії дисперсійного елемента й по основних спектральних характеристиках.

Розглянемо ці принципи класифікації докладніше.

1). За областю застосування всі існуючі мультиплексори можна поділити на магістральні і локальні. До характеристик магістральних мультиплексорів пред'являються більш строгі вимоги, тому що для передачі даних на значні відстані потрібно забезпечити малу смугу робочих довжин хвиль і малі втрати. Як правило, відстані, на які потрібно передавати дані в межах міста, мікрорайону, або будинку, набагато менші, ніж для магістральної передачі даних. Тому в цьому випадку треба використовувати мультиплексоры для локального застосування, для яких можна істотно збільшити область робочих довжин хвиль при малих втратах.

2). За технологією виготовлення всі існуючі схеми мультиплексорів можна поділити на два великих класи: об'ємні й планарні. Схеми основних типів планарних мультиплексорів наведено на рис. 9.1. Сучасні технології дозволяють реалізувати практично будь-яку схему мультиплексора. Тому, будь-яку схему можна виготовити як у об'ємному, так і в планарном виконанні.

а б

в г

д

Рисунок 9.1 - Схеми основних типів планарних мультиплексорів на основі призми (а), дифракційної решітки прохідного типу (б), впорядженої хвилеводної структури (в), на основі ешелону Майкельсона (г), відбивної дифракційної решітки (д)

У зв'язку з подальшим розвитком інтегральної й волоконної оптики, з'явилась можливість створення інтегрально-оптичних мультиплексорів, що мають характеристики, які не поступаються характеристикам їхніх об'ємних аналогів, а часто й перевершують їх. Крім того, принципи інтегральної оптики дозволяють об'єднати на єдиній підкладинці всі елементи передавального модуля (лазери, модулятори, мультиплексори, оптичні підсилювачі), тобто створити єдину интегрально-оптичну схему передавального або примального модулів.

3). За принципом поділу оптичних каналів мультиплексори можуть бути як з послідовним, так і з паралельним поділом оптичних каналів.

Для пристроїв з послідовним поділом каналів характерним є проходження оптичних сигналів послідовно через кожний елемент, на якому виділяється відповідний оптичний канал. Ці пристрої, як правило, вносять значні втрати й допускають поділ малої кількості каналів. У перших системах зі спектральним ущільненням використовувалися саме подібні мультиплексори із кількістю каналів 2 або 4.

До цього класу варто віднести пристрої, які використовують брегівське відбиття на періодичних структурах, які створено на волоконних чи планарних хвилеводах, або ж інтерферометри Фабрі-Перо і подібні до них структури.

До систем з паралельним поділом каналів відносяться найпоширеніші в оптичній спектроскопії дисперсійні елементи: призми, дифракційні решітки, ешелони Майкельсона й ін. Для цих пристроїв характерні відносно малі втрати й велика кількість розділених каналів. Їхній недолік - дисперсійні елементів повинні виготовлятись з високою точністю, іноді на межі, а часом і поза межами можливостей сучасних технологій. Проте, системам з паралельним поділом каналів, безумовно, належить велике майбутнє.

4). За принципом дії дисперсійного елемента мультиплексори можна розділити в такий спосіб: мультиплексори на основі матриць канальних хвилеводів, мультиплексори на основі хвилеводних дифракційних решіток і волоконні демультиплексори.

Найбільш перспективними є схеми мультиплексорів на основі матриць канальних хвилеводів (упорядкованих хвилеводних решіток). Такі мультиплексори можуть працювати з високими порядками дифракції (m ≈ 10 і вище). Це дозволяє досягати максимальної кількості каналів при невеликій області робочих довжин хвиль. Мультиплексори на основі матриць канальних хвилеводів найкраще підходять для магістральної передачі даних, тому що підсилювачі сигналу ефективно підсилюють у вузькій частотній смузі. Як наслідок, чим вище порядок дифракції, тим меншою є ширина спектру і, відповідно, більшим є число робочих каналів. Істотним недоліком такої схеми, яка побудована на основі матриці канальних хвилеводів, є те, що довжини каналів не просто неоднакові, але довжина кожного наступного каналу повинна відрізнятися від попереднього точно на сталу величину Δl. На практиці це реалізується введенням у конструкцію додаткових елементів.

5). Залежно від інтервалу робочих довжин хвиль , можуть використовуватися різні конструкції мультиплексорів. Для передачі інформації при малих значенняхвикористовуються магістральні мультиплексори. По кількості каналів мультиплексори поділяються на системи з розрідженим спектральним ущільненням (CWDM) – до 10 оптичних каналів, на щільні системи зі спектральним ущільненням (DWDM – Dence WDM) – до 50 оптичних каналів (із частотним інтервалом між сусідніми каналами Δf = 100 ГГц), і на надзвичайно щільні системи зі спектральним ущільненням (UDWDM – Ultra DWDM) – вище 50 оптичних каналів (Δf  порядку 50 і 25 ГГц).

Слід зазначити, що мультиплексори застосовуються не тільки для ущільнення оптичних каналів зв’язку, збільшення їх пропускної здатності, але і для вирішення деяких інших проблем.

Важливою проблемою є захист інформації від несанкціонованого доступу при передаванні її вздовж ВОЛЗ. В [37] запропоновано спосіб захищеної передачі інформації, який складається з перетворення аналогового сигналу в цифрову форму, поділу його на рівні частини, заповнення цими частинами декількох порожніх тайм-слотів, що виникли за рахунок розподілу інформації на декілька частин, маскувальними псевдовипадковими сигналами у вигляді двійкових нулів та одиниць, з подальшим перетворенням отриманого електричного сигналу в оптичний на різних довжинах хвиль. Першу і всі подальші хвилі мультиплексують і передають по ВОЛЗ. На приймальному кінці з потоком інформації виконуються зворотні перетворювальні дії. Розподіл інформації при цьому здійснюється на частини різної довжини за допомогою комутатора. Розмір цих частин визначає завданий алгоритм. Все зазначене захищає інформацію від несанкціонованого відбору при її передаванні у ВОЛЗ.