Оптичні розгалужувачі і їх влаштування

Розгалужувачі (відгалужувачі) сигналу грають важливу роль в, ВОЛЗ. Розрізняють разветвители чутливі (селективні) до довжини хвилі і нечутливі (неселективні). Перші застосовуються для об'єднання (або роз'єднання) сигналів з різними оптичними несучими і називаються мультиплексорами (і демультиплексор відповідно). Другі використовуються для розгалуження оптичної потужності при наявності великого числа кінцевих пристроїв в лінії зв'язку, підключення шини даних в ЕОМ, прийому контрольного сигналу або сигналу зворотного зв'язку, призначеного для управління потужності джерела випромінювання.

Мультиплексори і демультиплексори

Мультиплексування дозволяє збільшити інформаційну ємність ВОЛЗ. Застосовувані в лініях пристрої для об'єднання сигналів з різними несучими довжинами хвиль (мультиплексори) і роз'єднання (демультіплексори) повинні мати малі вносяться втрати. Мультиплексори повинні, крім того, забезпечувати високу ступінь ізоляції між каналами. Залежно від довжини хвилі використовують чотири різні способи отримання пристроїв зв'язку. В основу роботи пристроїв покладені три чутливих до довжини хвилі ефекту - кутова дисперсія, інтерференція і поглинання. Демультиплексори, використовують кутову дисперсію грати або призми. Конструкція для поділу каналів за допомогою інтерференційного фільтра, структура поглинаючого типу, використовувана як демультиплексор. Кожен поглинач складається з чутливого до довжини хвилі фотодіода. Пристрої з гратами і призмою є дільниками з паралельним поділом каналів, а використовують фільтри і селективні фотодетектори з послідовним.

Послідовне поділ застосовується при невеликому числі каналів, так як з ростом числа каналів пропорційно збільшується число елементів схеми (світлофільтрів, ділильних пластин, дзеркал, що фокусують елементів) і відповідно зростають втрати на випромінювання.

Малюнок 3.1.0 - Принцип роботи пристроїв зв'язку, селективних до довжини хвилі: а - з гратами; б - з призмою; в - з інтерференційних фільтром; г - з поглинає фільтром; 1 - градієнтна циліндрична лінза; 2 - дифракційні грати; 3 - хроматичний фільтр; 4 - призма; 5 - покриття, що відбиває; 6 - селективні фотодетектори

Найбільш широко використовуються пристрої з інтерференційних фільтром. Демультиплексори такого типу здійсненні й у повністю волоконному виконанні без використання циліндричних лінз. Їх пристрій подібно пристрою торцевих дільників потужності, в розрізі передавального нд яких замість напівпрозорої пластини розташований фільтр, чутливий до довжини хвилі [7].

Паралельне поділ, можливо здійснити як для малого, так і для великого (кілька десятків) числа спектрально ущільнених несучих в одному волоконному световоде (ВС) Паралельно деталі являють собою мініспектрометри. Як і спектрометр, дільник має диспергуючих елемент (грати або призму), колімуючих елемент (об'єктив або увігнуте дзеркало), а також вхідну і вихідну щілини (роль яких виконують серцевини випромінюючого і прийомних ВС). Схемас призмою не отримала широкого поширення, так як призма обмежує можливість мініатюризації пристрою і характеризується низькою дисперсією в діапазоні довжин хвиль 1,1. 1,6 мкм. Матеріали для виготовлення призм зі значною кутовий дисперсією мають великі втрати. Крім того, дісперсіяпрізм не постійна за спектром. Найбільшого поширення набули пристрої з дифракційними гратами.

На малюнку 3.1.1 представлені залежності внесених потерьLi і перехідного затуханіяLa для напівпровідникового лазера з шириною спектральної лінії = 2 нм і світлодіоди з = 40 нм. З малюнків видно, що з ростом зменшується перехідне загасання. Його можна збільшити, зменшуючи щільність упаковки ВС (збільшуючи параметрDf2a, де а - радіус серцевини ВС). Однак при цьому зростають вносяться втрати. Мультиплексори і демультиплексори з гратами мало придатні для використання в ВОЛЗ, в яких джерелами випромінювання є світлодіоди.

Прикладом пристрою демультиплексор з гратами є п'ятиканальний демультиплексор, зображений на малюнку 3.1.2. Випромінює і п'ять прийомних ВС об'єднані в лінійку, розташовану в фокальній площині об'єктива (фокусна відстань 23,8 мм, діаметр 14 мм).

Малюнок 3.1.1 - Залежність внесених втрат Li (штрихові криві) та перехідного загасання L, (суцільні криві) від спектрального поділу каналів для напівпровідникового лазера з шириною спектральної лінії = 2 нм (а) і све-тодіода = 40 нм (б).

Примітка. Цифри на кривих показують відношення просторового поділу D / 2a, де D- діаметр ВС, гa-діаметр серцевини.

Випромінювання з передавального нд колімуючих об'єктивом, діафрагмірует на решітці і знову потрапляє в об'єктив, який в залежності від довжини хвилі фокусує випромінювання на той чи інший приймальний ВС. Замість об'єктива може використовуватися фокусуючий (градієнтний) стрижень або прозоре середовище з оптичним елементом на поверхні. Дифракційну решітку виготовляють анізотропним травленням кристалічної підкладки по кристалічним осях крізь попередньо нанесену маску. Решітка має несиметричні канавки. Параметри решітки (постійна решітка = 4 мкм, кут в = 6,2 °) вибрані так, щоб її максимальна дифракційна ефективність досягалася на центральній довжині хвилі = 0,86 мкм робочого діапазону 0,82. 0,88 мкм. Спектральний інтервал між каналами дорівнює 25 нм. У всьому діапазоні дифракційна ефективність становить величину, що не перевищує 90%, що вносяться втрати в каналах не перевищують 1,4 дБ, перехідне загасання -30 дБ.

Велика увага приділяється розробці малогабаритних дільників в інтегрально-оптичному виконанні, а також різних дільників з увігнутими гратами.

Подільники оптичної потужності

Неселективні разветвители поділяють на два основних типи: Т-образні, побудовані за принципом відгалуження кінцевих пристроїв від головного стовбура лінії, і зіркоподібні.

Малюнок 3.2.1 - Пристрій пятиканального демультиплексор: 1-вхідний НД; 2-вихідні ВС; 3 об'єктив; 4-дифракційна решітка

Втрати при розподілі потужності випромінювання в системі з Т-подібними з'єднувачами зростають пропорційно числу абонентів, а в системі із зіркоподібними відгалужувачі - пропорційно логарифму числа кінцевих устройствN. Так, в системі з 20 кінцевими пристроями загальні втрати становлять у першому випадку 130 дБ, а в другому - 28 дБ. Тому в системах з великим числом абонентів доцільне застосування зіркоподібних сполучних пристроїв.

Розподіл потужності за допомогою Т-образного розгалуджувача характеризують такими величинами загасання:

в прямому направленііa 1 = - 10lg (P1 / P2), P4 = 0;

внесеним a 2 = - 10 lg (P2 + P3), P4 = 0;

при відгалуженні а 3 = - 10 Ig (P1 / Р3);

зв'язку a 4 = - 10 lg (P4 / P2), P1 = 0;

в зворотному напрямку а 5 = - 10 lg (P4 / P1).

У зіркоподібному відгалужувачів до кожного з вхідних ВС підведена потужність PЕ, (i = l, 2. п), яка передається вихідним ВС. Нехай Pа, (j = 1, 2. т) - потужність, що надходить в j-й вихідний ВС. При рівномірному розподілі вхідної потужності між вихідними ВС ответвитель характеризують такі величини:

втрати на расщепленіеa n = 10 lg m;

вносяться потеріa.i, i = - 10 Ig Pe / (Pa1 + Pa2 +. + Pam);

ослаблення в зворотному направленііar, l = - 10 lg Pei = l / Pei, де l = 1, 2. п.

При конструюванні оптичного разветвителя бажано досягти малих внесених втрат, малої модовой залежності конструкції, гарною відтворюваності параметрів, простоти конструкції, малих розмірів і маси. Конструкція разветвителя залежить від типу ВС, приймального кута, відносини радіуса серцевини до товщини оболонки, що збуджується медового розподілу на вводі ВС.

За своєю конструкцією разветвители поділяють на дві основні групи - биконические, в яких випромінювання передається через бічну поверхню, і торцеві, в яких випромінювання передається через торець. В обох групах передача випромінювання може здійснюватися або при безпосередньому контакті ВС, або через допоміжні елементи - дзеркала, лінзи, змішувачі. У біконічних розгалужувачах світло може бути витягнутий через бічну поверхню при перетворенні що спрямовується моди в моду випромінювання або при зв'язку з другим ВС через зникаюче поле (рисунок 3.2.1). Перетворення розповсюджується хвилі в моди випромінювання одержують при вигині ВС, при знятті оболонки або конічному звуженні серцевини. Біконічні разветвители легко - виготовити, однак вони мають погану відтворюваність параметрів. Внесені втрати 0,2. 1 дБ.

З разветвителей торцевого типу найбільш поширені такі, в яких торці вихідних ЗС безпосередньо стикуються з торцем вхідного ВР і ническим способом або заливаються краплею клею. Змінюючи взаємне положення закріплюються яким-небудь механічним способом або заливаючи краплею клею [3].

Малюнок 3.2.1 - біконічну розгалужувач зі зв'язком через затухаючої поле

Малюнок 3.2.2 - Розгалужувачі торцевого типу: 1-вхідний НД; 2,3,4-вихідні ВС

Змінюючи взаємне положення торців ВР і підбираючи їх поперечний переріз (малюнок 3.2.2), можна змінювати в широких межах відношення потужностей в різних вихідних каналах. Внесені втрати становлять 0,3. 1,2 дБ. Для їх зменшення, а також для зниження збудження мод оболонки стравлюють або сошліфовивают. На малюнку 3.2.3 зображений разветвитель з розгалужених структурою, сформований шляхом склеювання або оплавлення вихідних нд уздовж сошлифовать під малим кутом серцевини і з'єднання з торцем вхідного ВС. Хоча принцип разветвителя простий, виготовлення важко, що вносяться втрати складають 0,5. 1,2 дБ.Ета конструкція підходить .як для градієнтних, так і для східчастих ВС. Поділ мод і втрати зростають зі зростанням кута. під яким з'єднані ВС.

Розгалужувач з розщепленням пучка показаний на малюнку 3.2.4. ВС розрізаний під кутом 45 ° до осі, торці його відполіровані і покриті частково відображають металевими і діелектричними дзеркалами.

Малюнок 3.2.3 - Разветвитель з розгалужених структурою: 1 - вхідний НД; 2,3 - вихідні ВС

Малюнок 3.2.4 - Разветвитель з розщепленням пучка

Теоретична величина втрат 0,5 дБ. Практично для всіх типів ВС вносяться втрати рівні 1. 1,5 дБ в залежності від коефіцієнта поділу.

Для розгалуження потужності також застосовують:

формування на кінці вхідного ВР, очищеного від оболонки, кульковою лінзи з відбиваючим плямою на полюсі і двома "вікнами" в місцях виведення відбитого випромінювання в бічні вихідні ВС, введення бічного ЗС в V-образну канавку, сформовану в основному ВР (втрати 0,5 . 1,2 дБ);

формування глибокого надрізу в основному ВР, завдяки якому частина сигналу відгалужується в бічні ВС, закріплені над надрізом перпендикулярно основному.

У розгалужувачах з допоміжними елементами широко використовують діелектричні циліндричні лінзи, що представляють собою відрізок градієнтного ВС з параболічним профілем показника заломлення.

Малюнок 3.2.5 - Розгалужувачі з градієнтними діелектричними лінзами: L1, L2, L3 -лінзи: 1-вхідний НД; 2,3 - вихідні ВС; f- фокусна відстань лінзи

Малюнок 3.2.6 - Зіркоподібний розгалужувач зі сферичним дзеркалом

Промені періодично фокусуються на осі лінзи в точках, відстань між якими визначається довжиною хвилі сигналу. Деякі типи разветвителей з лінзами показані на малюнку 3.2.5. На торці лінз наносяться частково (малюнок 3.2.5, в) або повністю (малюнок 3.2.5, а) відображають покриття, які на малюнку показані потовщеними лініями. Виміряні вносяться втрати, наприклад, для розгалуджувача становлять 0,99 дБ для РЗ / Ра = 0,03.

На малюнку 3.2.6 зображений зіркоподібний ответвитель. Він складається з циліндричного корпусу зі скляним змішувальним стрижнем. Один з кінців змішувального стрижня являє собою сферичне дзеркало 2, на інший кінець нанесено покриття, що просвітлює 3. Випромінювання, що виходить з будь-якого ВС пучка 4, відбивається від дзеркала і рівномірно розподіляється по всьому ВС. Це дає можливість кожному терміналу в системі передавати і .прінімать дані від будь-якого іншого терміналу.

В сучасних ВОСП і даній лабораторній роботі доцільніше використовувати селективні відгалужувачі (мультиплексори і демультиплексори).

Через брак використані неселективні спрямовані відгалужувачі оптичної потужності. Зіркоподібного типу, біконічної конструкції.

OP-CEO1-2-2 - біконічну розгалужувач зі зв'язком через затухаючої поле, теоретично вносяться втрати 0,2. 1дБ. УК-1 разветвитель з розгалужених структурою, теоретично вносяться втрати 1. 1,5 дБ.