Селективные оптические разветвители являются устройствами волнового (спектрального) уплотнения (Wave – length – Division Multiplexing, WDM), выполняющими функции мультиплексирования (MUX - объединения) или демультиплексирования (DEMUX – выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн – каналов – в одно волокно из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. На передающей и приемной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах MUX и DEMUX соответственно. Сам факт существования устройств WDM основан на свойствах волокна пропускать множество каналов, которые распространяются по волокну, не взаимодействуя между собой.

Как было указано выше, наряду с функцией объединения (рисунок 12.4.а) устройства WDM также могут выполнять обратную функцию (функцию демультиплексирования) – выделения сигналов разных длин волн из волокна, рисунок 12.4.б. Большинство производимых WDM устройств совмещают режимы мультиплексирования и демультиплексирования в одном устройстве. Такие устройства могут также использоваться для мультиплексирования и демультиплексирования двунаправленных потоков, рисунок 12.4.в.

Рисунок 12.4 – Устройство WDM

а) мультиплексирование с уплотнением по длинам волн; б) демультиплексирование; в) мультиплексирование/ демультиплексирование встречных потоков.

В соответствии с руководящим документом отрасли «Связь» РД 45.286-2002 к этим устройствам предъявляются требования, представленные в таблице 12.5.

В идеальном случае сигнал l₁, поступающий на полюс 1 (рисунок 12.4.а), должен полностью проходить в общий выходной полюс 3 (common). На практике, однако, доля сигнала на длине волны l₁ ответвляется и проходит через полюс 2 аналогично, применительно к рисунку 12.4.б. Идеальным было бы если все 100% входной мощности сигнала l₁, проходили через полюс 1 и наоборот. Здесь такой эффективности демультиплексирования для любого из существующих WDM устройств достичь невозможно. Для оценки этих паразитных явлений используют понятие переходные помехи. Они показывают, насколько эффективна работа WDM устройства [24].

Таблица 12.5 – Основные параметры многоканальных оптических мультиплексоров и демультиплексоров

Примечания

1. В зависимости от скорости цифрового сигналя в оптическом канале и расстоянием между оптическими каналами значения параметров по п.п.3 и 5 таблицы могут быть обеспечены применением источников излучения с внешней модуляцией лазера.

2. Значения параметров при расстоянии между оптическими каналами 25 ГГц изучаются.

Ближние переходные помехи NEСT (near-end crosstalk или directivity) аналогичны коэффициенту направленности и определяются как доля мощности, регистрируемая на длине волны l₁на полосе 2, соответствующей длине волны l₂, при условии, что сигнал на длине волны l₁ подается на полюс 1 (рисунок 12.4.а).

Дальние переходные помехи FEСT (far-end crosstalk, также называют isolation) являются мерой изоляции между выходными полюсами по сигналам разных длин волн. Так, если сигнал поступает на длине волны l₁ на полюс 3 (common), (рисунок 12.4.б), то для него FEXT – это доля мощности, регистрируемая на длине волны l₁ на полюсе 2, соответствующем длине волны l₂.

В общем случае WDM модуль при работе в режиме мультиплексирования/демультиплексирования может иметь n входных/выходных полюсов 1, 2, ..., n, которым соответствуют длины волн l₁, l₁, ..., l_n , и один общий входной/выходной полюс (соm) соответственно. Будем обозначать такой модуль 1:n.

Введем следующие обозначения:

для мультиплексора:

- входной сигнал на длине волны , поступающий на полюс ;

- выходной сигнал на длине волны , регистрируемый на входном полюсе , при условии, что входной сигнал на длине волны поступает на полюс ;

- обратное рассеяние сигнала на длине волны , поступающего на полюс ;

- выходной сигнал на длине волны , регистрируемый на com-полюсе, при условии, что входной сигнал на длине волны поступает на полюс ;

для демультиплексора:

- входной сигнал на длине волны , поступающий на com-полюс;

- выходной сигнал на длине волны , регистрируемый на выходном полюсе , при условии, что входной сигнал на длине волны поступает на com-полюс ;

- обратное рассеяние сигнала на длине волны , поступающего на com-полюс;

- выходной сигнал на длине волны , регистрируемый на выходном полюсе (собственном), при условии, что входной сигнал на длине волны поступает на com-полюс.

Коэффициенты ближних , дальних переходных помех, а также коэффициенты обратного рассеяния на ближнем и дальнем концах и определяются соотношениями:

.

Коэффициенты передачи на ближнем и дальнем концах определяются соотношениями:

Основные технические проблемы создания мультиплексоров и демультиплексоров заключаются в достижении низких потерь в области узкой полосы пропускания и высокой изоляции для соседних и иных каналов. Это связано с тем, что потери в области полосы пропускания оказывают непосредственное воздействие на бюджет мощности, а изоляция каналов влияет на отношение сигнал/шум и битовую скорость на стороне приемника терминального оборудования и, следовательно, ограничивает канальные интервалы.

Ниже приведены спецификации дополнительных параметров, которые в настоящее время используются для описания мультиплексоров в сетях уплотнения WDM.

Полоса пропускания канала – это диапазон длин волн, в котором данный порт мультиплексора имеет низкие потери и для которого определены вариации центральной длины волны используемого лазера. Она варьируется от 1,0 до 8,0 нм.

Допустимое отклонение центральной длины волны. Вследствие того, что оптический спектр каждого порта мультиплексора обычно смещается относительно идеальной длины волны для каждого канала лазера, данный параметр определяет максимально допустимую вариацию. Допустимое отклонение центральной длины волны обычно должно быть на порядок меньше ширины полос пропускания каналов и, следовательно, находится в диапазоне между ±0,1 и 0,5 нм.

Канальный интервал представляет собой расстояние (интервал) между центральными длинами волн соседних каналов и является системным параметром, определяющим параметры компонента.

30 дБ полоса частот представляет ширину спектрального диапазона, за пределами которой любой сигнал ослабляется более чем на 30 дБ по отношению к длине волны пиковой мощности. Это широко используемый параметр, потому что изоляция соседнего канала для многих систем равна 30 дБ.

Помимо указанных параметров, следует также учитывать параметры, характеризующие стабильность каждого мультиплексора при воздействии внешних факторов, таких, как температура и состояние поляризации. Это связано с тем, что при достаточно большом влиянии данных факторов полосу пропускания канала мультиплексора следует выбирать шире, по сравнению с вариацией центральной длины волны лазера, что, в свою очередь, приведет к необходимости увеличения канальных интервалов. В связи с этим учитываются следующие три типа параметров:

Потери, зависящие от поляризации. Вследствие того, что спектральное функционирование каждого порта мультиплексора зависит от входного состояния поляризации, которое неопределимо в лазерных системах передачи, это значение потерь имеет самую большую вариацию в пределах полосы пропускания каждого порта мультиплексора.

Температурная стабильность длины волны. Стабильность центральной длины волны определяет ее максимальное измерение применительно к каждому порту в пределах предполагаемого диапазона рабочих температур.

Тепловая стабильность – это параметр, который представляет собой максимальную вариацию потерь разветвителя при изменении рабочей температуры в пределах полосы пропускания каждого порта.

В настоящее время известно большое число чувствительных к длине волны устройств, на основе которых могут быть реализованы рассматриваемые мультиплексоры. К ним относятся дифракционная решетка, периодическая волноводная решетка, волоконно-оптические и аккусто-оптические фильтры, а также резонаторы Фабри-Перо.

Дифракционная решетка (рисунок 12.5) представляет собой зеркало, на которое нанесены бороздки с очень малыми расстояниями d между ними, которое, как правило, составляет 0,8 мкм (1200 линий на 1 мм). При попадании на поверхность решетки параллельного луча света с определенной длиной волны λ каждая бороздка, отражая его, создает цилиндрическую волну с новыми (дискретными) направлениями лучей, которые зависят от длины волны. К этим лучам относятся:

- луч нулевого порядка (m=0), у которого цели падения и отражения равны;

- луч первого порядка (m=1), который формируется в случае, когда длина пути волн соседних бороздок отличается на длину волны;

- луч второго порядка (m=2), который основан на разнице двух длин волн, и т.д.

Рисунок 12.5 – Дифракционная решетка

Выполнив простые геометрические операции, базовое уравнение решетки обычно представляется в виде

d(sin α + sin β) = m λ,

где d – период решетки (шаг бороздок);

α и β – углы падения и отражения луча относительно нормали к поверхности решетки;

m – порядок отраженного луча;

λ – длина волны в воздухе.

На рисунке 12.6 представлен ход лучей в дифракционной решетке в отсутствие луча нулевого порядка.

Рисунок 12.6 – Ход лучей в дифракционной решетке

На практике очень часто используется только луч первого порядка, так как при λ>d решение уравнения решетки не существует, и поэтому луч второго порядка отсутствует. В мультиплексорах по длине волны находит применение решетка, которая отражает лучи первого порядка в направлении падающих лучей. В этом случае луч первого порядка определяется из условия

.

Наиболее важной особенностью решетки является способность дефрагировать (распределять) различные длины волн под различными углами. Эту способность решетки характеризует понятие угловой дисперсии, которая отражает изменение угла при изменении длины волны и определяется производной угла отражения по длине волны

.

Как следует из данного выражения, угловая дисперсия обратно пропорциональна интервалу d.

Идеальная дифракционная решетка при одной длине волны и параллельном входном луче создает параллельный отражательный луч (например первого порядка), поэтому изображение, сформированное идеальной линзой, будет иметь вид точки (рисунок 12.7).

Рисунок 12.7 – Применение дифракционной решетки в селективных устройствах

Однако наложение частичных волн приводит к образованию расходящегося луча, изображение которого описывается функцией . Связь полной ширины ω изображения с количеством активных N бороздок в этом случае описывается выражением

,

где Δβ – расхождение отраженного луча;

L – фокусное расстояние линзы;

Nxd – диаметр луча.

На основании изложенного выше следует, что для лучшего разделения различных длин волн рекомендуется использовать решетку с большой условной дисперсией и большим диаметром луча.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования с целью создания единой технологии выполнения чувствительных к длине волны элементов, позволяющих решать весь спектр задач фильтрации оптических сигналов. Одно из таких перспективных направлений заключается в реализации многослойного покрытия тонкой интерференционной пленкой диэлектрика и известно как технология интерференционных покрытий. Они состоят из чередующихся тонких слоев материалов с высокой и низкой диэлектрической постоянной. При этом напыление тонких пленок диэлектрика наносится на подложки, в качестве которых могут использоваться стеклянные пластины, линзы или волокна. Эта технология позволяет создавать различные устройства, позволяющие передавать и отклонять оптические сигналы в зависимости от длины волны, которые носят название волоконно-оптических интерференционных фильтров.

На рисунке 12.8 показаны три способа возможной реализации волоконно-оптических фильтров, из которых лучшими характеристиками обладают те, в которых интерференционное покрытие наносится на стеклянную подложку, установленную под углом к паре волоконных коллиматоров[7].

Рисунок 12.8 – Интерференционные волоконно-оптические фильтры

Коллимирующие линзы используются для обеспечения широкополосности во втором и третьем окнах прозрачности. В качестве альтернативы, хотя более трудновыполнимой, нанесение покрытия осуществляться на поверхность коллимирующей линзы, специальной втулки или торца волокна. При этом, для снижения обратного отражения сигнала, в системе юстировки используются антиотражательные покрытия.

На основе рассмотренных выше двухполосных интерференционных полосовых волоконно-оптических фильтров создан ряд многовходовых селекторов, которые применяются для мультиплексирования и демультиплексирования световых волн в ближайшей инфракрасной области оптического диапазона. Они строятся на основе трехполосного делителя (непоглощающего интерференционного фильтра), работающего при углах падения луча до 45˚, с тем чтобы можно было использовать как передаваемый, так и отраженный свет.

Все рассмотренные выше селективные разветвители делятся на две категории: широкозонные и узкозонные.

Широкозонные предназначены для работы с двумя, максимум тремя длинами волн при расстоянии между каналами более, чем 70 нм (1310, 1550, 1625 нм). Они наиболее часто применяются в системах кабельного телевидения 1310/1550 нм, или в цифровых телекоммуникационных системах передачи. Допускаются также использование пар длин волн 1550/1625 нм при осуществлении дистанционного мониторинга ВОЛС на длине волны 1625 нм.

Узкозонные предназначены для мультиплексирования и демультиплексирования сигналов в многоканальных системах с расстоянием между каналами от минимального 1,6 нм (или еще меньше 0,8 нм) до 70 нм. Основные технические характеристики, за исключением рабочих длин волн, схожи с предыдущим типом. Основные области применения: волоконно-оптические системы с использованием оптических усилителей EDFA, мультиплексные системы «add/drop», полностью оптические сети.

Характеристики некоторых зарубежных спектрально-селективных разветвителей приведены в таблице 12.6.

Таблица 12.6 – Характеристики зарубежных спектрально-селективных разветвителей