Оптические разветвители и их устройства

Оптические разветвители



Разветвители (ответвители) сигнала играют важную роль в, ВОЛС. Различают разветвители чувствительные (селективные) к длине волны и нечувствительные (неселективные). Первые применяются для объединения (или разъединения) сигналов с различными оптическими несущими и называются мультиплексорами (и демультиплексорами соответственно). Вторые используются для разветвления оптической мощности при наличии большого числа оконечных устройств в линии связи, подключения шины данных в ЭВМ, приема контрольного сигнала или сигнала обратной связи, предназначенного для управления мощности источника излучения.



Мультиплексоры и демультиплексоры



 Мультиплексирование позволяет увеличить информационную емкость ВОЛС. Применяемые в линиях устройства для объединения сигналов с различными несущими длинами волн (мультиплексоры) и разъединения (демультиплексоры) должны иметь малые вносимые потери. Мультиплексоры должны, кроме того, обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре различных способа получения устройств связи . В основу работы устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта — угловая дисперсия, интерференция и поглощение. Демультиплексоры, используют угловую дисперсию решетки или призмы. Конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, структура поглощающего типа, используемая как демультиплексор. Каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода. Устройства с решеткой и призмой являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы с последовательным.

Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (светофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение. 





Рисунок 3.1.0 - Принцип работы устройств связи, селективных к длине волны: а - с решёткой; б - с призмой; в - с интерференционным фильтром; г - с поглощающим фильтром; 1 - градиентная цилиндрическая линза; 2 - дифракционная решётка; 3 - хроматическии фильтр; 4 - призма; 5 - отражающее покрытие; 6 - селективные фотодетекторы



Наиболее широко используются устройства с интерференционным фильтром. Демультиплексоры такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. Их устройство подобно устройству торцевых делителей мощности, в разрезе передающего ВС которых вместо полупрозрачной пластины расположен фильтр, чувствительный к длине волны [7]. 

Параллельное разделение, возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотненных несущих в одном волоконном световоде (ВС). Параллельные детали представляют собой миниспектрометры. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решетку или призму), коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную щели (роль которых выполняют сердцевины излучающего и приемных ВС). Схема с призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность миниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в диапазоне длин волн 1,1 ... 1,6мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсия призм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решеткой.

На рисунке 3.1.1 представлены зависимости вносимых потерь Li и переходного затухания La для полупроводникового лазера с шириной спектральной линии  =2 нм и светодиода с  =40 нм. Из рисунков видно, что с ростом   уменьшается переходное затухание. Его можно увеличить, уменьшая плотность упаковки ВС (увеличивая параметр Df2a, где а — радиус сердцевины ВС). Однако при этом растут вносимые потери. Мультиплексоры и демультиплексоры с решетками мало пригодны для использования в ВОЛС, в которых источниками излучения являются светодиоды. 

Примером устройства демультиплексора с решеткой является пятиканальный демультиплексор, изображенный на рисунке 3.1.2. Излучающий и пять приемных ВС объединены в линейку, расположенную в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8 мм, диаметр 14 мм).





Рисунок 3.1.1 - Зависимость вносимых потерь Li (штриховые кривые) и переходного затухания L, (сплошные кривые) от спектрального разделения каналов для полупроводникового лазера с шириной спектральной линии  =2 нм (а) и све-тодиода  =40 нм (б).

Примечание. Цифры на кривых показывают отношение пространственного разделения D/2a, где D— диаметр ВС, гa—диаметр сердцевины.



 Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, диафрагмирует на решетке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или другой приемный ВС. Вместо объектива может использоваться фокусирующий (градиентный) стержень или прозрачная среда с оптическим элементом на поверхности. Дифракционную решетку изготовляют анизотропным травлением кристаллической подложки по кристаллическим осям сквозь предварительно нанесенную маску. Решетка имеет несимметричные канавки. Параметры решетки (постоянная решетка  =4 мкм, угол в = 6,2°) выбраны так, чтобы ее максимальная дифракционная эффективность достигалась на центральной длине волны  =0,86 мкм рабочего диапазона 0,82...0,88 мкм. Спектральный интервал между каналами равен 25 нм. Во всем диапазоне дифракционная эффективность составляет величину, не превышающую 90%, вносимые потери в каналах не превышают 1,4 дБ, переходное затухание —30 дБ.

Большое внимание уделяется разработке малогабаритных делителей в интегрально-оптическом исполнении, а также различных делителей с вогнутыми решетками. 



Делители оптической мощности



Неселективные разветвители подразделяют на два основных типа: Т-образные, построенные по принципу ответвления оконечных устройств от главного ствола линии, и звездообразные. 





Рисунок 3.2.1 - Устройство пятиканального демультиплексора: 1—входной ВС; 2—выходные ВС; 3— объектив; 4—дифракционная решетка



Потери при распределении мощности излучения в системе с Т-образными соединителями возрастают пропорционально числу абонентов, а в системе со звездообразными ответвителями — пропорционально логарифму числа оконечных устройств N. Так, в системе с 20 оконечными устройствами общие потери составляют в первом случае 130 дБ, а во втором — 28 дБ. Поэтому в системах с большим числом абонентов целесообразно применение звездообразных соединительных устройств.

Деление мощности с помощью Т-образного разветвителя характеризуют следующими величинами затухания: 

в прямом направлении a1= - 10lg (P1/P2), P4=0; 

вносимым a2= - 10 lg (P2+P3), P4=0; 

при ответвлении а3= - 10 Ig (P1/Р3); 

связи a4= - 10 lg (P4/P2), P1=0;

 в обратном направлении а5= - 10 lg (P4/P1).

В звездообразном ответвителе к каждому из входных ВС подведена мощность Pе, (i=l, 2, ..., п), которая передается выходным ВС. Пусть Pа, (j=1, 2, ..., т) — мощность, поступающая в j-и выходной ВС. При равномерном распределении входной мощности между выходными ВС ответвитель характеризуют следующие величины:

потери на расщепление an=10 lg m; 

вносимые потери a.i,i= - 10 Ig Pe / (Pa1+Pa2+...+Pam);

ослабление в обратном направлении a r,l= - 10 lg Pei=l / Pei, где l=1, 2, ..., п. 

 При конструировании оптического разветвителя желательно достичь малых вносимых потерь, малой модовой зависимости конструкции, хорошей воспроизводимости параметров, простоты конструкции, малых размеров и массы. Конструкция разветвителя зависит от типа ВС, приемного угла, отношения радиуса сердцевины к толщине оболочки, возбуждаемого медового распределения на вводе ВС.

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы — биконические, в которых излучение передается через боковую поверхность, и торцевые, в которых излучение передается через торец. В обеих группах передача излучения может осуществляться либо при непосредственном контакте ВС, либо через вспомогательные элементы — зеркала, линзы, смесители. В биконических разветвителях свет может быть извлечен через боковую поверхность при преобразовании направляемой моды в моду излучения или при связи со вторым ВС через исчезающее поле (рисунок 3.2.1). Преобразование распространяющейся волны в моды излучения получают при изгибе ВС, при снятии оболочки или коническом сужении сердцевины. Биконические разветвители легко - изготовить, однако они обладают плохой воспроизводимостью параметров. Вносимые потери 0,2...1 дБ.

Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных ВС непосредственно состыковываются с торцом входного ВС и ническим способом или заливаются каплей клея. Изменяя взаимное положение закрепляются каким-либо механическим способом или заливая каплей клея [3].



Рисунок 3.2.1 - Биконический разветвитель со связью через затухающее поле





Рисунок 3.2.2 - Разветвители торцевого типа: 1—входной ВС; 2,3,4 —выходные ВС



 Изменяя взаимное положение торцов ВС и подбирая их поперечное сечение (рисунок 3.2.2), можно изменять в широких пределах отношение мощностей в разных выходных каналах. Вносимые потери составляют 0,3...1,2 дБ. Для их уменьшения, а также для снижения возбуждения мод оболочки стравливают или сошлифовывают. На рисунке 3.2.3 изображен разветвитель с ветвящейся структурой, сформированный путем склеивания или оплавления выходных ВС вдоль сошлифованных под малым углом сердцевины и соединения с торцом входного ВС. Хотя принцип разветвителя простой, изготовление затруднительно, вносимые потери составляют 0,5...1,2 дБ. Эта конструкция подходит .как для градиентных, так и для ступенчатых ВС. Разделение мод и потери растут с ростом угла  , под которым соединены ВС.

Разветвитель с расщеплением пучка показан на рисунке 3.2.4. ВС разрезан под углом 45° к оси, торцы его отполированы и покрыты частично отражающими металлическими и диэлектрическими зеркалами.





Рисунок 3.2.3 - Разветвитель с ветвящейся структурой: 1 — входной ВС; 2,3 - выходные ВС





Рисунок 3.2.4 - Разветвитель с расщеплением пучка



Теоретическая величина потерь 0,5 дБ. Практически для всех типов ВС вносимые потери равны 1...1,5 дБ в зависимости от коэффициента разделения.

Для разветвления мощности также применяют:

формирование на конце входного ВС, очищенного от оболочки, шариковой линзы с отражающим пятном на полюсе и двумя "окнами" в местах вывода отраженного излучения в боковые выходные ВС, введение бокового ВС в V-образную канавку, сформированную в основном ВС (потери 0,5... 1,2 дБ);

формирование глубокого надреза в основном ВС, благодаря которому часть сигнала ответвляется в боковые ВС, закрепленные над надрезом перпендикулярно основному.

В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы, представляющие собой отрезок градиентного ВС с параболическим профилем показателя преломления. 



Рисунок 3.2.5 - Разветвители с градиентными диэлектрическими линзами: L1, L2, L3 —линзы: 1—входной ВС; 2,3 — выходные ВС; f— фокусное расстояние линзы





Рисунок 3.2.6 - Звездообразный разветвитель со сферическим зеркалом



Лучи периодически фокусируются на оси линзы в точках, расстояние между которыми определяется длиной волны сигнала. Некоторые типы разветвителей с линзами показаны на рисунке 3.2.5. На торцы линз наносятся частично (рисунок 3.2.5, в) или полностью (рисунок 3.2.5,а) отражающие покрытия, которые на рисунке показаны утолщенными линиями. Измеренные вносимые потери, например, для разветвителя составляют 0,99 дБ для Рз/Ра= 0,03.

На рисунке 3.2.6 изображен звездообразный ответвитель. Он состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем . Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало 2, на другой конец нанесено просветляющее покрытие 3. Излучение, выходящее из какого-либо ВС пучка 4, отражается от зеркала и равномерно распределяется по всем ВС. Это дает возможность каждому терминалу в системе передавать и .принимать данные от любого другого терминала.



Выводы



В современных ВОСП и данной лабораторной работе целесообразнее использовать селективные ответвители (мультиплексоры и демультиплексоры).

За неимением использованы неселективные направленные ответвители оптической мощности. Звездообразного типа,биконической конструкции. 

OP-CEO1-2-2 - биконический разветвитель со связью через затухающее поле, теоретически вносимые потери 0,2...1дБ. УК-1 разветвитель с ветвящейся структурой, теоретически вносимые потери 1...1,5дБ.