Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД

9.5. Волоконно-оптические разветвители, ответвители и соединители.

         Одними из наиболее важных пассивных компонентов ВОСПИ являются разветвители и соединители, которые относятся к устройствам, выполняющим соответственно пространственное разделение оптического сигнала по нескольким каналам и объединение сигналов различных каналов в один канал. Среди данных устройств особое место занимает разновидность разветвителя, известного как Х-образный ответвитель и выполненного в виде направленного ответвителя имеющего два входных и два выходных развязанных между собой канала (ответвитель 2×2). Следует различать направленные и двунаправленные разветвители. В двунаправленном разветвителе каждый плюс может работать на прием, передачу или на прием и передачу сигнала одновременно, позволяя менять местами группы передающих и принимающих каналов. Наиболее распространенные конфигурации ответвителей приведены на рис. 9.22.

         Древовидный ответвитель  приведен на рис. 9.22.а и 9.22.б. Трехпортовый ответвитель (его иногда называют Т-ответвитель) позволяет разделять мощность, поступающую с передающего кабеля (порт А) на два порта (1 и 2) в соответствии с заданным коэффициентом деления мощности, обычно равным 1:1 или 1:n, где n –некая дробь. В четырехпортовом ответвителе (рис. 9.22 б) мощность от второго передающего ВОК (порт В) может быть введена в основной кабель (от порта А к порту 1), в то время как равное значение мощности отделяется (от порта 2). Примерами использования трех- и четырехпортовых ответвителей может служить ввод дополнительного излучения или вывод части излучения, дуплексная связь по многомодовому ОВ, организация подключений к локальным линиям и т. д.

Рис. 9.22. Наиболее распространенные конфигурации ответвителей: а) - трехпортовый древовидный, б) – четырехпортовый древовидный, в) – звездообразный, г) – направленный, д) и е) – многоволновые ответвители

         Звездообразный ответвитель (рис. 9.22.в) представляет собой многопортовый ответвитель, который позволяет осуществлять разделение мощности от одного из N передающих портов (от A до Z) на равные части для каждого из N принимающих портов (от 1 до N).

         Направленный ответвитель (рис. 9.22. г) представляет собой трехпортовый ответвитель, который позволяет передавать мощность в одном направлении (от порта А до порта 1), тогда как мощность той же длины волны принимается с другого направления и передается с порта 1 на порт В. В этом случае, в отличие от Т-ответвителя, потерь распределения не происходит, а имеют место только небольшие избыточные потери и вносимые потери разъема (коннектора). Вариантами использования направленных ответвителей являются оптический рефлектометр, дуплексная связь по одному волокну.

         Многоволновый ответвитель (рис. 9.22. д и е) – это ответвитель, в котором распределение мощности зависит от длины волны. Этот ответвитель с тремя портами позволяет:

передавать мощность в одном направлении по волокну (от порта А до порта 1), а мощность отличной длины волны принимать с другого направления – от порта 1 на порт В. В отличие от Т-ответвителя, который осуществляет разделение мощности, данный ответвитель направляет мощность определенной длины волны в определенном направлении подобно призме. При этом потерь распределения нет, а имеют место только небольшие избыточные потери и вносимые потери коннектора;

передавать мощность от нескольких источников с разными длинами волн на один ВОК (рис. 9.22.е).

Для примера рассмотрим принцип получения и работы ответвителя 2×2. Такие ответвители получают, когда пара волокон, уложенных параллельно друг другу, вытягивается в дуге высокочастотного разряда или в пламени кислородно-водородной горелки. При этом участки волокна, находящиеся в горячей зоне, утоньшаются и сплавляются между собой (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Схема сварного ответвителя 2х2: 1 – конический переход, 2 – сварная зона


Рис. 9.24. Схема, показывающая изменение модового пятна в биконическом переходе: 1 – конический переход, 2 – перетяжка, 3 – сердцевина, 4 – оболочка

В сварном ответвителе каждое из волокон образует адиабатический биконический переход (рис. 9.24) Он представляет собой два пологих конических перехода, между которыми расположена перетяжка. Диаметр перетяжки изменяется при вытяжке ответвителя по экспоненциальному закону:

d = D exp (-L/2b)                                       (9.9),

где D – диаметр кварцевого волокна, L – длина вытяжки, b –ширина сварной зоны. Когда диаметр перетяжки уменьшается примерно до 7…5 мм, нормализованная частота значительно уменьшается, мода волокна перестает удерживаться сердцевиной волокна и поле выходит даже из кварцевой оболочки волокна. Так как волокна в перетяжке ответвителя сплавлены, то мощность из лучения начинает перекачиваться из одного волокна в другое.

Коэффициент пропускания (Т) ответвителя 2×2 изменяется при изменении интегрального коэффициента связи φ по гармоническому закону:

Т = Р1 / Р0 = сos2 φ                                   (9.10.).

Величина интегрального коэффициента связи экспоненциально увеличивается при увеличении длины вытяжки, что приводит к экспоненциальной зависимости периода коэффициента пропускания от длины вытяжки. На рис. 9.25 представлены зависимости коэффициента пропускания от длины волны для двух длин волн: 1,31 мкм и 1,55 мкм.

Рис. 9.25. Зависимость коэффициента пропускания (Т) сильно сплавленного симметричного ответвителя от длины вытяжки

Стрелками указаны характерные точки при остановке, в которых получаются ответвители с нужными для практических применений характеристиками. Во многих устройствах используются ответвители, которые делят мощность пополам (3 дБ - ответвитель). На длине волны 1,3 мкм 3-х децибельный ответвитель получается, если длину вытяжки остановить в точке А. В этой точке коэффициент пропускания на λ=1,3 мкм равен 50 %. Однако при этой длине вытяжки коэффициент пропускания на λ=1,55 мкм равен 37 %, т.е. на этой длине волны ответвитель уже не делит мощность пополам. Следует отметить, что коэффициент пропускания линейно зависит от длины волны, и этот факт можно использовать для определения длины вытяжки для выбранной длины волны.

         Другое важное для практики устройство получается, когда вытяжка останавливается в точке В (рис. 9.25). В этой точке коэффициент пропускания равен 100 % на λ=1,55 мкм и 0 на λ=1,3 мкм. Такие ответвители применяются в ВОСПИ со спектральным уплотнением каналов.

         В ряде систем необходимо ответвить излучение на одной длине волны, а на другой пропустить через ответвитель излучение с близкой длиной волны. Например, в эрбиевом усилителе, где накачку осуществляют на λ=1,48 мкм, а усиление происходит в области длин волн ~ 1,55 мкм. В рассматриваемой модели ответвителя необходимую для этого спектральную характеристику коэффициента пропускания, представленную на рис. 9.26, удается получить при длине вытяжки 8,35 мм.

Рис. 9.26. Зависимость коэффициента пропускания при большой длине вытяжки



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.