Оптический эдд/дроп мультиплексор

Оптический  мульпшлексор.
Оптический  мультиплексор относится к технике спектрального уплотнения в линиях (сетях) связи и обмена данными на одномодовых световодах и, в частности, к технике уплотнения CWDM (course wavelengthdivision multiplexing), где интервал между каналами составляет обычно 20 нм. В зарубежной научно-технической литературе устройство подобного назначения называют optical add/drop multiplexer (OADM), русского аналога этого названия не существует.
Оптический  мультиплексор используется в линиях, работающих на нескольких оптических несущих волнах, он позволяет вывести из линии к приемному устройству сигналы на одной из волн и одновременно ввести излучение на той же длине волны (с новой информацией); при этом не затрагиваются другие волны. Таким образом, мультиплексор используется для подключения в каком-либо месте по линии еще одного абонента связи.
ЭддУдроп мультиплексоры-аналоги представ.пяют собой весьма сложные устройства. Одним из них, например, является сборка 1 на дискретных элементах - градиентных линзах, одномодовых световодах и интерференционных фильтрах, пропускающих излучение на одной фиксированной длине волны и отражающих волны с другими длинами волн. Трудоемкость изготовления, больщое число используемых оптических элементов, необходимость прецизионной юстировки и выполнения клеевых соединений обуславливают высокую стоимость мультиплексора и недостаточную стойкость к действию внешних факторов (температуры, вибрации и др.).
Известна также констр5 кция  мультиплексора на основе кольцевого микрорезонатора. Принцип работы заключается в том, что при касании поверхности микрощарика волноводами происходит оптический контакт и образуется устройство, которое является аналогом интерферометра Фабри-Перо. Реализация возможна с помощью планарной технологии в полупроводнике GalnAsP-InP 2 и в волоконном варианте 3 - микрошарик диаметром ЗО-т-50 мкм, два световода, юстировка и склейка. Устройства 2,3 в
nfMMi LrL 813
настоящее время только отрабатываются, пока их реальные возможности неясны, но сложность технологии изготовления налицо.
Очевидно также, что функцию  мультиплексора может вьшолнять одномодовый волоконный разветвитель типа «2x2 со спектральнозависимыми коэффициентами передачи между портами 4. Его можно рассматривать как ближайший аналог для заявляемого устройства. Однако такой мультиплексор пригоден лишь для линии связи на двух длинах волн, тогда как в современной практике оптической связи со спектральным уплотнением число несущих волн значительно больше.
Задачей полезной модели является мультиплексор, упрощение и снижение стоимости изготовления, а также повьппение устойчивости к внещним воздействиям..
Технический результат достигается тем, что оптический  мультиплексор, предназначенный для оптоволоконной линии со спектральным уплотнением на 2 (N- целое число) эквидистантно расположенных через интервал ЛЯ. оптических несущих, вьшолнен из N-волоконных одномодовых разветвителей типа «2x2, соединенных двумя портами, по одному с разных сторон, последовательно друг с другом, при этом два оставшихся свободными порта первого разветвите ля (, i-номер разветвителя) служат для соединения с оптовоколоконной линией, а два оставшихся свободными порта последнего разветвителя () служат один для вьгоода одной из несущих волн, а другой для ввода излучения с той же длиной волны, при этом используются разветвители, для которых положение каждого экстремума в спектрах коэффициентов передачи между портами совпадает со значением длины волны одной из несущих волн, а расстояния между соседними экстремумами для i -го разветвителя составляют ДА,-2.
На чертежах представлены оптические схемы 4-волнового и 8-волнового  мультиплексеров, а также спектральные характеристики используемых разветвителей:
фиг.1 - оптическая схема четырехволнового эддХцроп мультиплексора.
фиг.2 - спектры коэффициентов передач разветвителей, входящих в четырехволновый  мультиплексор.
фиг.З - оптическая схема восьмимиволнового  мультиплексора.
восьмиволновый  мультиплексор.
Как известно, спекпфальиые характеристики коэффициентов передачи между портами разветвителя определяются как
„.(Я)   „()
где Рп(А,) и Рт() - спектральные плотности мощности излучения в портах пит, соответственно. Эти характеристики измеряются с помощью оптического спектрометра при возбуждении разветвителя от источника с широким спектром излучения.
Четырехволновый  мультиплексор (фиг.1) предназначен для оптоволоконной линии, работающей на четырех эквидистантно расположенных несущих, - обозначим их как X,i, Xj, Хз и А4, - одна из которых выводится, например, волна Хз, а вместо нее вводится другая несущая с той же длиной волны. Устройство выполнено на разветвителях 1 и 2, которые с помощью сварки 3 соединяются друг с дрзтом двумя портами, по одному с каждой стороны. Два свободных порта разветвителя 1 служат для подключения к оптоволоконной линии, а два свободных порта разветвителя 2 служат один для вывода излучения с длиной волны Х2, а дрзпгой - для ввода излучения с той же длиной волны.
На фиг.2 приведены спектральные характеристики коэффициентов передачи между портами Кгап(Х,) и ), соответственно, для разветвителей 1 и 2. Как можно видеть, для разветвителя 1 положения экстремумов в спектрах коэффициентов передачи между портами соответствуют всем четырем оптическим несущим Xi, Хг, Хз и Х4, а для разветвителя 2 только волнам г и Х4.
Разветвитель обладает следующими свойствами: спектры коэффициентов передач между любыми двумя портами в прямом и обратном направлениях идентичны и, во-вторых, в спектрах коэффициентов передач из любого порта в два порта на противоположной стороне разветвителя положение максимумов на одном спектре соответствует положению минимумов на другом спектре. Второе свойство можно легко видеть, например, на фиг.2 при сравнении пар спектров {Кас(Х), (X)} и {KV.), КУХ)}.
волны Х,1, А,2, Хз и 4. В соответствии с видом спектров Кас и , разветвитель 1 пропускает две волны Xi и Х,з в порт с  (выход в линию) и направляет другие две волны 2 и А,4 в порт d . Разветвитель 2 в соответствии с видом спектров К сь и  направляет волну Хг в порт Ь (вывод волны Яг) и волну 4 через порт о обратно к разветвителю 1, который выводит (спектр Кьс) ее в порт с  (выход в линию}. Волна К-г, вводится через порт  (ввод волны Я2) и, пройдя оба разветвителя (спектры  и ), приходит в порт с  (выход в линию).
В рассмотренном примере объектом вывода и добавления является волна А,2. Нетрудно убедиться, что любая волна из всех четырех также может быть объектом такой операции; для это необходимо соответствующим образом изменить схему соединения выводов двух разветвителей. Например, чтобы «вывестиъ добавить волну Xi, следует поменять местами левые порты разветвителя 1, то есть порт а соединить с портом а, а освободившийся порт Ь использовать для ввода из линии четырех волн.
Восьмимиволновый  мультиплексор (фиг.З) предназначен для оптоволоконной линии, работающей на восьми эквидистантно расположенных несущих Xi - Xg, одна из которых выводится, например, волна Х2, а вместо нее вводится другая несущая с той же длиной волны. Мультиплексор выполнен на трех разветвителях - разветвителях 5, 6 и 7. Они соединяются друг с другом двумя портами, по одному с каждой стороны: разветвитель 5 с разветвителем 6, разветвитель 6 с разветвителем 7; соединения производятся с помощью сварки 3. Два свободных порта разветвителя 5 служат для подключения к оптоволоконной линии, а два порта разветвителя 7 служат один для вывода излучения с длиной волны Х2, а другой - для ввода излучения той же длины волны.
На фиг.4 приведены спектральные характеристики коэффициентов передачи между портами Кпт(Х), () и Кпт(Х), соответственно, для разветвителей 5, 6 и 7. Можно видеть, что для разветвителя 5 положение экстремумов в спектрах коэффициентов передачи между портами соответствуют всем восьми несущим Xi т- Xs, для разветвителя 6 каждой второй волне, т.е. Х2, Х4, Хб и Xg и для разветвителя 7 - только волнам Х2 и Хб.
A-1,- A-g. Разветвитель 5 в соответствии с видом спектров Кас и  пропускает в порт с  (выход в линию) сразу четыре нечетные волны и направляет четные волны к разветвителю 6. Разветвитель 6 переводит (спектр ) волны Х,2 и Хб через порт Ь  к разветвителю 7 и направляет (спектр К са) волны 4 и Xg обратно к разветвителю 5, который выводит ( спектр Кьс) их в порт с. Две волны Х,2 и Я проходят разветвитель 7 по разному: волна Хз (спектр Каа) попадает в порт d  (вывод волны Хг), а волна Хб обратно (спектр ) к разветвителю 6 и, пройдя его (спектр ) и затем разветвитель 5 (спектр Кьс), выводится в порт с . Волна  вводитсяя через порт Ь (ввод волны Х,2), проходит все три разветвителя (спектры Кьс,  и Кьс) и приходит в порт с  (выход в линию).
Объектом вывода и добавления может быть любая волна из всех восьми волн Xi -ь KS; для это необходимо соответствующим образом изменить схему соединения портов трех разветвителей. Например, чтобы это была волна Х достаточно поменять местами выводы вьшоды с  и «/разветвителя 7.
Продолжая дальше аналогичным образом, можно построить на 4-х разветвителях 16-тиволновый  мультиплексор с интервалом между линиями АХ,, используя при этом разветвители, в спектрах коэффициентов передачи между портами которых расстояния между соседними экстремумами для первого разветвителя равно АХ, для второго разветвителя 2-АХ, для третьего разветвителя 4-АХ и четвертого 8-АХ.
Преимущество заявляемого мультиплексера по сравнению с аналогами в существенной простоте конструкции, так как используются только волоконные одномодовые разветвители, технология изготовления которых в настоящее время хорошо освоена, а характеристики воспроизводимы и стабильны. Мультиплексор по данной полезной модели выполнен в цельноволоконном виде и в нем отсутствуют юстируемые и склеиваемые узлы, что обеспечивает высокую устойчивость к внешним воздействиям.
Для проверки работоспособности заявляемого устройства нами был изготовлен четырехволновый  мультиплексор. Значения длин волн каналов были выбраны:  нм,  нм,  нм и  нм; функция «добавить вывести выполнялась над волной  нм.
Основные характеристики изготовленного 4-х волнового мультиплексора в результате исследований были: вносимые потери для всех каналов не более 1,0 дБ, уровень изоляции между старой и новой волной 2 на выходе в линию не менее 30 дБ. Характеристики были устойчивы при термоциклировании с перепадом температур между  и +80°С.
Кроме приведенного примера 4-волнового  мультиплексора, заявляемое устройство может быть реализовано в виде 8-миволнового мультиплексора на длинах волн 1470, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 и 1610 нм или 16-тиволнового  мультиплексора с интервалом между каналами также  нм в спектральном диапазоне от 1310 до 1610 нм.
Как известно, в современных системах связи используется как техника уплотнения CWDM, так и техника )атлотнения DWDM - dense -wavelengthdivision multiplexing. Техника уплотнения DWDM позво.ляет пропускать по линии несколько десятков волн с интервалом менее одного нанометра, но при этом является весьма затратной для потребителя. Между тем, существует достаточно большое число применений, где не требуется предельно высокая пропускная способность и/или неприемлима высокая стоимость линий (сетей). Эта область применений оптической связи обеспечивается техникой уплотнения CWDM, к которой относится заявляемый оптический эдцХдроп мультиплексор.
Литература.
1.S. DeMange.Thin-film filters give flexibility to OADMs.WDM Solutions, June, p.31,2002.
2.R.Grover et.al., Stacked microrings form add/drop filters. Optics Letters, 26(8), p.506, 2001.
3.Ming Cal et.al., Microsphere add/drop performs well at 5 Gbit/s. IEEE Phot. Tech. Lett. 12(9), p. 1177,2000.
4.F.Parin. WDM couplers cut optical losses.Microwaves & RF, May, p. 162,2002.