Волоконно-оптический коммутатор на интерферметрах Маха-Цендера

20 декабря 2011 г, 12:01

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Волоконно-оптический коммутатор на интерферометрах Маха-Цендера

Алексее» Е.Б., Полое А.Г., Полое В.И.,

МТУ СИ

Все коммутаторы потоков излучения, применяемые в волоконно-оптических системах передачи можно разделить на два класса: к первому клоссу отнесем устройства неблокирующие передачи, ко второму — блокирующие. Коммутаторы, сконструированные на компонентах в которых отсутствует спектральная избирательность, как то подвижных зеркалах, призмах, волноводных переключателях, являются в той или иной степени блокирующими. Например, в микроэлектромеханической системе (МЕМ5), возможно только попарное соединение входных и выходных портов, с вытекающими отсюда ограничениями в коммутации. Эти ограничения согласно основной теореме о передаче мощности в ВОСП нельзя обойти в указанных коммутаторах. Теорема гласит, что в оптической системе, с идентичными входными и выходными волоконными световодами, сумма коэффициентов передач из входных портов в любой из выходных портов не может превысить единицы на одной длине волны излучения [ 1 ]. Для коммутирующих устройств это равносильно блокировке.

Поэтому неблокирующие свойства могут иметь только спектрально-избирательные устройства. К ним относятся коммутаторы на дифракционных решетках из массива световодов (А\Л/0, а также коммутаторы использующие разного рода узкополосные фильтры: многослойные интерференционные, решетки Бреста, интерферометры Фабри-Перо и Маха-Цендера.

На рисунке 1 представлена осема коммутатора, построенного на волоконных интерферометрах Маха-Цендера [2]. Топологически схема коммутатора соответствует схеме разветвителя "звезда" Когельник-Салеха, где на месте четырехполюсников-разветвителей размещены четырехполюсники волоконно-оптических интефероме-тров Маха-Цендера (ИМЦ).

На рисунке 2 представлена схема волоконно-оптического ИМЦ, являющегося аналогом классического интерферометра Мо-ха-Цендера с делителями волны на зеркалах. Так же как и в классическом интерферометре с зеркалами в интерферометре на рисунке 2 при разности хода в ветвях А и Б кратных длине волны А. имеем максимум интенсивности (мощности) на выходном порту с1 и минимум на порту с и смену интенсивностей на портах при изменении разности хода на пол длины волны

Вместе с тем в работе интерферометров имеются различия. Известно, что амплитуды волн на выходных полюсах е и Направленного разветвителя С, на связанных волноводах (см. рис. 2) пропорциональны Со^сг) и Би^сг) соответственно (излучение вводится в порт а), где с — коэффициент связи, а г — длина связи волноводов разветвителя. Таким образом, в зависимости от аргумента сг возможны как разнополярные амплитуды выходных волн, так и однополярные.

Казалось бы, разнополярность указывает на сдвиг фаз в радиан между волнами, аналогичный фазовому сдвигу из-за потери полуволны при внешнем отражении от зеркала делителя в классичес-

ком интерферометре Маха-Цендера. Однако этот факт объясняет дополнительность интерференционных картин на выходах в классическом ИМЦ но не объясняет постоянство полной (суммарной) мощности на выходных портах с, 6 волоконно-оптического ИМЦ

Докажем, что деление мощности разветвителем на связанных волноводах сопровождается сдвигом фазы на ТС/2 волны второго волновода ("потерей четверти волны") по отношению к волне первого волновода (в пределах полупериода длины биений мощностей в связанных волноводах когда мощность из первого волновода полностью перекачивается во второй волновод) Доказательство приведем для разветвителей 50 *50, хотя это и не является принципиальным.

* При вводе единичной мощности в порт а на выходном порту с (рис. 2) будем иметь следующую суперпозицию волн [31:

порт с: 1/2 Со&(<0/ -кх- 20)+ 1/2 Со*((0* - кх - ф) =

= 0)5(0 - ф/2) С05(03/ - кх - (р/2- 0),

здесь первое слагаемое — волна ветви Б которая дважды "перетекла" из одного волновода в другой соответственно в первом С, и втором С2 разветвителях и приобретшая сдвиг фазы 20, а второе слагаемое — волна ветви А ф = кЛ — сдвиг фазы волны ветви А из за разности хода А в ветвях; к = 2к/Х — волновое число.

На выходном порту с/ будем иметь суперпозицию волн:

порт<Ж 1/2Соб(сог-кх- 20)+ 1/2Сс*(со/-Ь<-ф -0) =

= Со5(ф/2) Со&((0/ - кх - ф/2 - 0),

здесь первое слагаемое — волна ветви Б, а второе слагаемое — волна ветви Д приобретшие сдвиг фазы 0 на первом С, и втором С, разветвителях соответственно.

Постоянство полной мощности (закон сохранения энергии) на портах с, с/требует, чтобы сумма квадратов амплитуд в полученных выражениях равнялась 1.

Со52(0-ф/2) + О»2(ф/2)*1,

мги “>2 21 М^з,

Рис 1. Схема спектрально-избирательного коммутатора 8x8; — интерферометр МакаЦендера

12

Т-Сотт, #8-2011

FYc. 2. Волоконно-оптический интерферометр Махо-Цендера

отсюда следует что 0 = к/2, то есть имеет место потеря четверти длины волны.

Мы остановились столь подробно на особенности работы направленного разветвителя в волоконно-оптическом интерферометре, так как простой аналогии с классическим интерферометром не достаточно для анализа работы и проектирования приборов но волоконно-оптических интерферометрах.

Работа коммутатора основана на операции расслоения (интерливинга) спектральных каналов интерферометром.

Выразим мощности Ф^ на портах с, d ИМЦ через порядок интерференции Р - Д/Х. Сдвиг фазы ф = 1Л = 2яА/А = 2кР, и для мощностей получоем выражение Sin2(icf1 на порту с, и Cos2(Tt^ на порту d

Фс = 5п2(ф/2) - Sin2(кР), Ф^=0*2(ф/2) = Cos2(*P),

Покажем, как осуществляется интерливинг группы из 8 узкополосных каналов с длинами волн Я.,, А,^-., Х8 оптических несущих, которые поступают на сщин из вхадаых портов коммутатора (рис.1), например, на вход N91. Пусть для совокупности длин волн А.,, А^,.-, ^8

и некоторой разности хода Л порядки интерференции Р]/Р2.....Pg

отличаются друг от друга на единицу. Тогда для этой разности хсда имеем первое после нулевого порядка совпадение интерференционных максимумов для всей совокупности длин волн (в системе интерференционных полос классического ИМЦ с зеркалами имеем картину наибольшего контраста). А для разности хода А, , = А/2 получим расслоение (интерливинг) совокупности длин волн, и соответственно каналов (в системе интерференционных полос—потерю контраста картины). Причем волны с четным порядком интерференции поступят в порт da с нечетным — в порт с (рис. 2) интерферометра MZ] , коммутатора рис. 1. Интерферометр MZ2, второго

ШМ V/

л • с

яда

тм

Шт

&Л-Д

VP,

тАМшт*-*' ' *.

каскада произведет расслоение волн с четным порядком Р/ при разности хода А2 | = А/4, а интерферометр 2 произведет расслое-

ние волн с нечетным порядком Р при разностихсда Д2 2 =А/4±Х/2. Далее интерферометры М2^ 4 третьего каскада разведут

поступившие на них пары каналов по выходным портам коммутатора рис. 1. Таким образом, видим, что для интерливинга требуется разная настройка ИМЦ во втором (Д2 , / А 2 2)и третьем каскадах в зависимости от четности порядка интерференции Р.

Описанная процедура интерливинга имеет место в известных демультиплексорах 1 хЫ и проиллюстрирована на рисунке 3 в виде графиков мощности Фс! на выходном порту d

Ф^-С052|ПР.Х),

где аргумент х есть доля нормированной разности хода (А — 1); порядки интерференции выбраны для наглядности небольшими от 11 до 18 с единичным шагом (Р, = 11, Р2= 12,...,Р8 = 18).

В отличие от демультиплексора 1 хЫ в коммутаторе ЫхЫ мы не можем допустить разную настройку интерферометров в одноименном каскаде, поскольку все направления передачи в коммутаторе равноправны и не должны зависеть от номера порта входа. Из графиков на рис. 3 видим, что для ИМЦ уже второго каскада не находится общей настройки с приемлемой развязкой между каналами передач (в лучшем случае это 7,6 дБ при разности хсда средней между настройками для четных и нечетных каналов).

Решить проблему увеличения развязки удается подбором длин волн X,, Х^..., Х8 оптических несущих каналов по определенному алгоритму [2].

Коммутатор имеет в полосе прозрачности канала большую неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Поэтому для выравнивания АЧХ на местах одиночных интерферометров во втором каскаде желательно иметь цепь из двух трех интерферометров, имеющих небольшие сдвиги в настройках друг относительно друга. Знание о "потери четверти волны" на разветвителе как раз и позволяет правильно рассчитать такие цепи.

Для работы коммутатора в высоких порядках интерференции (ВОСП с плотным мультиплексированием) требуется весьма точная регулировка (юстировка) разности хода А интерферометров. В слу-чое интегрально-оптического исполнения ИМЦ юстировка может быть обеспечена электроогттическими или термооптическими устройствами фазового сдвига включенными в ветви А и Б (рис. 2) интерферометра.

Замечательным свойством коммутатора ЫхН на интерферометрах Махо-Цендера, а также большинства спектрально-избирательных коммутаторов, является повторяемость кросс-соединений для длин волн (каналов) отстоящих друг от друга с периодичностью в N шагов. Назовем такие группы из т длин волн "^-пакетами" Таким образом, из N "л-пакетов" на каждом входном порту в каждый из

К

с __ —. -- -'7

h /

вс. 3. Граф*жи мощностей группы из 8 узкополосных каналов с длинами волн А,, А^,..., Ав в выходном порту Ь интерферометра Махо-Цендера с порядками интерференции Р, * 11,Р2в 12, Р8 = 18при разности хода А в ветвях юлерферометра

F\c. 4. Экспериментальна! проверка "потери четверти волны" в разветвителе 50.50 на связанных волноводах.

Схема опыта: С — испытуемый разветвитель 5030;

К — линза-коллиматор; Э — экран на проход

T-Comm, #8-2011

13

N выходных портов поступает по одному “л-пакету". То есть в каждом выходном порту имеем те же N "л-пакетов" (m-N каналов) но собранных из разных входных портов. Указанное свойство спектрально-избирательных коммутаторов позволяет не только эффективно использовать их в перестраиваемых мультиплексорах ввсда-вывсда RCADM (Reconfiguroble Optical Add/Drop Muhiplexer) но и осуществлять маршрутизацию информационных потоков в сложно-разветвленных (ячеистых) поссивных сетях [4,5].

В эксперименте (см. рис 4) поток излучения от полупроводникового лазера (А = 1,3 мкм) попеременно вводился во входные порты а и Ь сдномодового разветвителя С и излучался с выходных портов ей Ь. Две плоские волны сформированные коллиматором К дал и на экране Э систему интерференционных полос равного наклона, ширина которых прямо-пропорциональна фокусному расстоянию f коллиматора К и обратно-пропорциональна расстоянию / между излучающими портами е, Ь. При смене порта ввода излучения с а на Ь интерференционная картина наблюдаемая на экране Э сдвигалась на половину ширины интерференционной полосы. Что свидетельствует об изменении разности фаз в волнах излучаемых портами е и h на вел^ину К из-за "потери четверти волны". Если бы отсутствовала смена фаз в волнах излучаемых портами е и h то при смене портов ввода положение интерференционной картины на экране

Э не изменилось бы. А если бы имело место "потеря полуволны"

(смена фаз на 2тс) тогда интерференционная кортина сдвинулась бы на ширину интерференционной полосы. Но этот сдвиг из-за совпадения интерференционных максимумов в обеих картинах мы также не обнаружили бы.

Для наблюдения интерференционной картины в инфракрасном диапазоне (л  1,3 мкм) был использован прибор ночного видения (не показан на рис 4), при этом в качестве экрана Э непосредственно использовался фоточуствительный катод электронно-оптического прибора ночного видения.

Литература

1 Алексеев Ebv Попов АГ. Перслекпвы развития и задача оптимизации пассивных оптических сетей доступа // Вест»*ж связи, 2009. — №10.

2 Алексеев ЕЬ* Попов АГ, Попов ВХ. Волоконно-оптический коммутатор // Т-Соп¥т>-Тепекомму>*жации и транспорт, 2010. — №4.

3 Алексеев ЕЬ, Попов АТ, Попов BJ*t Теорема Лиувилпя и метод фазовых объемов в исследовании передаточной способности волоконнооптических систем // Электросвязь. 2010. — №5.

4 Алексеев ЕЬ* Самсфцвв ИЭ. Особенности и перспективы применения RCADM на сетях связи операторов//Вестник связи, 2007.— № 9.

5 Алексеев ЕБ„ Попов АГ, Попов В М. Пассивные волоконно-оптические сети с коммутацией потоков в узлах регулярных топологических структур //Т-Солтл-Тёлекоммуиикации и трсмспорт, 2010. — №6.

14

T-Comm, #8-2011