Шпоры по мультиплексорам. шпоры Шарангович1. 1. История развития многоволновых восп и устройств волнового уплотнения wdm. Мировой
 Скачать 1.86 Mb.
|
|
Волоконно-оптические, оптические интерференционные фильтры -односторонние фильтры ( фильтры коротких и длинных длин волн). 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. Хотя технология напыления тонких пленок используется давно, создание интерференционных покрытий в ближнем инфракрасном диапазоне, то есть на 1.3 мкм и 1.5 мкм, стало возможным благодаря исследованиям температурной стабильности пленок, возможности управления толщиной слоя в процессе нанесения покрытия и разработанных методов создания сверхузких полос. Такое покрытие состоит 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 или отклонять оптические сигналы в зависимости от длины волны, которые носят название волоконно-оптических интерференционных фильтров. Благодаря возможности решения практически всех задач оптической фильтрации, заложенной в интерференционной гибкости такой технологии, волоконно-оптические интерференционные фильтры имеют ряд преимуществ над перечисленными выше объемными фильтрами. В частности, интерференционные фильтры могут использоваться как односторонние фильтры, т. е. фильтры коротких и длинных длин волн, избирательные режекторные и полосовые фильтры, фильтры с регулируемой полосой пропускания, сглаживающие фильтры, фильтры, обеспечивающие необходимую амплитудно-частотную характеристику волоконно-оптических усилителей и WDM. Другое преимущество данной технологии заключается в ее технологичности и, как следствие, низкой стоимости, поскольку она использует волоконные компоненты, а покрытия фильтра выполняются в пакетном режиме. Как известно, одномодовый режим передачи имеет реальную ширину диапазона, равную приблизительно 30.000 ГГц в 1.3 мкм и 1.5 мкм окнах прозрачности оптического волокна. Эти два окна достаточно широки и позволяют разместить разделенные по длине волны каналы, обеспечивая новую степень свободы для выполнения требований к увеличению пропускной способности оптических сетей. Типичное разделение плотно расположенных длин волн в этом случае осуществляется в мультиплексирующих сетях с разнесением длин волн от 1 до 5 нм, что позволяет упаковать десятки каналов в указанные окна прозрачности оптического диапазона. WDM сети часто используют комбинацию мультиплексоров и фильтров, осуществляющих соответственно разделение длин волн каналов и увеличение развязки между ними на приемном конце (рис. 1.44). С этой же целью, а также для разделения сигнала накачки используются WDM и волоконно-оптические фильтры в волоконно-оптических усилителях. Другое применение волоконно-оптических фильтров имеет место в системах контроля активного волокна, в которых тестирующий сигнал OTDR распространяется по тому же самому волокну, что и передаваемый трафик. Поэтому, чтобы изолировать сигнал OTDR от трафика, эти системы используют односторонние, полосовые или широкополосные фильтры и WDM. Волоконно-оптические -оптические интерференционные фильтры - избирательные режекторные и полосовые фильтры, , характеристики фиксированного оптического фильтра компании DiCon Фильтры с фиксированной областью передачи длин волн могут осуществлять ограничение либо с одной стороны, либо с двух сторон диапазона волн. В последнем случае полоса пропускания составляет от 1 нм (узкая полоса пропускания) до 60 нм (широкая полоса пропускания). При этом центральная длина волны и форма полосы могут управляться очень точно в течение процесса нанесения покрытия, обеспечивая резкий и хорошо определенный переход на границах полосы фильтрации. На рис. 1.45 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. Коллимирующие линзы используются для того, чтобы обеспечить широкополосность фильтра в 1310 нм и 1550 нм окнах. В качестве альтернативы, хотя более трудновыполнимой, нанесение покрытия может осуществляться на поверхность коллимирующей линзы, специальной втулки или торца волокна. При этом для снижения обратного отражения сигнала в системе юстировки используются антиотражательные покрытия. Так как односторонние фильтры характеризуются значительной полосой пропускания рабочих длин волн, они носят название широкополосных фильтров и, как правило, используются в одноименных WDM системах передачи. Кроме этого, они могут быть использованы для изоляции сигналовоптического рефлектометра от сигналов передачи в системах активного тестирования оптических волокон. Общий вид и характеристики фиксированного оптического фильтра компании DiCon представлены на рис. 1.46 а,б, а его параметры сведены в табл. 1.7. Данный фильтр представляет собой двухчастотное уст- ройство, которое использует коротковолновый или длинноволновый широкополосный фильтрующий элемент, обеспечивающий прохождение или подавление в широких спектральных окнах, как, например, окне 1310, 1480, 1550 и 1625 нм. Данное устройство основано на стабильных тонкопленочных фильтрующих элементах, расположенных между двумя волоконно-оптическими коллиматорами, и размещается в миниатюрном корпусе, обеспечивающем высокую стабильность к изменению ус- ловий окружающей среды. Данный фильтр подходит для установки как в непрерывных линиях, так и в монтажных платах или в корпусе. В отличие от широкополосных фильтров узкополосные фильтры пропускают длины волн одного диапазона, отвергая соседние. Они используются для изоляции сигнала в системах передачи WDM и для исключения на выходе волоконно-оптических усилителей и лазеров сигналов нежелательных длин волн. Таким образом, узкополосный фильтр передает оптический сигнал в предварительно определенной узкой полосе длин волн. Изготовленный аналогично рассмотренному выше широкополосному фильтру, узкополосный фильтр имеет характеристики, приведенные в таблице 1.8. Использование в современных системах передачи волоконно-оптических усилителей, характеризующихся наличием рассматриваемой впоследствии усиленной спонтанной эмиссии, требует минимизации создаваемых ею шумов, что достигается введением на выходе усилителей соответствующих фильтров. Одним из таких фильтров может служить ASE фильтр компании DiCon, основанный на широкополосном фильтре пропускания сигналов WDM в окне 1550 нм с одновременным блокированием ASE шума, пик которого приходится на длину волны 1532 нм. Параметры базово- го ASE фильтра приведены в табл. 1.9 Настраиваемые волоконно-оптические фильтры Интерференционные фильтры могут также использоваться в качестве дешевых узкополосных настраиваемых волоконно-оптических фильтров. Выбор длины волны в таких фильтрах может осуществляться с изменением угла наклона плоскости фильтра, его линейным перемещением или вращением (рис. 1.47). При этом настройка фильтра выполняется или вручную посредством микропозиционирующего устройства, или с помощью электрического привода. При настройке длины волны угловым перемещением центральная длина волны фильтра может быть определена как где Лц и Л ф — центральная длина волны при нормальном падении и при падении под углом <р; к — коэффициент. Здесь следует отметить, что при такой настройке имеют место зависимые от поляризации потери, которые увеличиваются с увеличением угла падения световой волны на фильтр, так как ортогонально поляризованные моды фильтруются по-разному. Однако некоторые методы нанесения покрытия могут уменьшать этот эффект. Переменный фильтр с линейным перемещением, так же как и с угловым перемещением, обеспечивает низкие вносимые потери, низкий PDL и узкую полосу в области более коротких длин волн [3]. Помимо этого, данные фильтры позволяют осуществлять регулирование полосы пропускания. Так, на рис. 1.48 представлен фильтр, который позволяет осуществлять ручное регулирование в пределах от 0.8 до 3.0 нм на заданной центральной длине волны, например 1560 нм. Данный фильтр отличается малыми габаритами и предназначен для пропускания определенной полосы длин волн с выхода широкополосных источников излучения в тестируемую WDM систему. Он может применяться также для настройки центральной длины волны и устранения шумов на входе приемника системы передачи с большим количеством используемых длин волн. Приведенный фильтр используется для ручной настройки центральной длины волны с узкой полосой пропускания в диапазоне около 20 нм в окне 1310 нм и в диапазоне 25 нм в окне 1550 нм. В нем также применяется тонкопленочный интерференционный фильтр с твердым покрытием, установленный между двумя расположенными под углом волоконно- оптическими коллиматорами. Посредством поворота ручки точной настройки центральная длина волны может быть установлена в пределах 0.05 нм. При этом его основные параметры (табл. 1.10) практически не уступают рассмотренным выше фиксированным фильтрам. Очевидно, что введение электрического привода позволяет автоматизировать процесс настройки, однако скорость установки параметров фильтра в этом случае не будет лучше нескольких миллисекунд. По сравнению с другими перестраиваемыми полосовыми фильтрами настраиваемые фильтры с интерференционным покрытием обеспечивают гибкость в регулировании полосы фильтра от 1 до 10 нм, имеют низкие потери, не превышающие 2-3 дБ в диапазоне настройки, равном 30 нм, и обеспечивают температурную стабильность выше 0.01 нм/ °С. Кроме того, они значительно дешевле наиболее распространенных акустооптических фильтров и резонаторных фильтров Фабри-Перо. Волоконно-оптические интерференционные WDM На основе рассмотренных выше двухполюсных интерференционных полосовых волоконно-оптических фильтров недавно создан ряд много-входовых селекторов, которые уже применяются для мультиплексирования и демультиплексирования световых волн в ближней инфракрасной области оптического диапазона. Они строятся на основе трехполюсного делителя (непоглощающего интерференционного фильтра), работающего при углах падения луча до 45°, с тем чтобы можно было использовать как передаваемый, так и отраженный свет. При таких значениях угла пропускание и отражение сигнала обычно превышает 85% и 98% соответственно что достаточно для обеспечения низких потерь WDM и сохранения присущих интерференционному фильтру высоких характеристик на границе разделения длин волн. На рис. 1.49 показаны два варианта WDM, один из которых представляет собой односторонний фильтр, а другой — двухсторонний. Поэтому первый передает широкий диапазон волн одному волоконному порту, подавляя смежный диапазон волн второго волоконного порта, причем отношение пропускание/отражение полосы длин волн в данном случае выше, чем может быть достигнуто в стандартных WDM ответви-телях. Второй вариант соответствует классическому WDM, который передает или подавляет оптический сигнал в узкой полосе длин волн и часто используется для выбора одного канала. Волоконно-оптические -оптические фильтры на основе дифракционных решеток. Типовые параметры Периодическая волноводная решетка AWG, Принцип действия AWG и параметры. Интегральная оптика успешно применяется для создания решеток на основе массива планарных волноводов различной длины между двумя планарными линзами смесителями AWG (Arrayed Waveguide Gratings). Решетки на основе массива волноводов AWG используются для того, чтобы перераспределять сигналы различных длин волн (каналы) между двумя наборами волокон или выделить (демультиплексировать) отдельные каналы составного сигнала в отдельные волокна. Устройство спектрального разделения на основе AWG состоит из следующих составных элементов: входного магистрального световода, входной фокусирующей системы (объединитель каналов), фазированной (упорядоченной) волноводной решетки, выходной фокусирующей системы (пространственного делителя каналов), отводящих волноводов спектрально разделенных каналов, выходных волноводов. Вход λ 1, λ 2, λ 3, λ 4... λ n Входной звездообразный разветвитель пучка Выходной звездообразный разветвитель пучка Волновод λ 1 λ n Рис. 1- Структура AWG демультиплексора Все устройство выполнено по планарной интегрально-оптической технологии на кремниевой подложке и снабжено устройством стыковки с отводящими волоконными световодами или линейкой фотоприемников. Особенностью такого устройства спектрального разуплотнения каналов является его работа в одномодовом режиме, т.е. все канальные волноводы должны поддерживать только одну продольную оптическую моду. Устройство работает следующим образом. Если на вход планарной структуры подсоединить одномодовый световод и подавать по нему оптические сигналы с несколькими спектральными составляющими (на длинах волн λ1, λ2, λ3,… λn) в магистральный канал, то в первом фокусирующем элементе, выполняющем роль коллиматора, свет равномерно разделится и будет распространяться по канальным волноводам с разными длинами пробега, отличающимися постоянным интервалом. За счет материальной и волноводной дисперсии разные длины волн достигнут второго фокусирующего элемента с разными фазами. В зависимости от фаз световые пучки разных спектральных составляющих, выходящие из этого фокусирующего элемента, будут интерферировать, и создавать равномерное угловое спектральное распределение, направляя различные спектральные составляющие в разные выходящие каналы. К выходным каналам на торцевом конце планарного устройства может быть подсоединена линейка фотодиодов или линейка с встроенными стандартными одномодовыми волокнами для транспортировки оптических сигналов на различных длинах волн к оптоэлектронным блокам. d in d out d w T1 T2 T3 F Массив волноводов i –й порт j –й порт x 1 x 3 x 0 x 2 AWG состоит из массива волноводов, на концах которого находятся две линзы FPR1 и FPR2, имеющие одинаковые геометрические размеры. В выходной плоскости FPR1 (x1) помещены симметрично относительно оси x1 K волноводов массива (AW), которые отделены друг от друга на расстояние dw. Длины AW отличаются на постоянную величину Δl, которая является равной целому числу (m- порядок решетки) длин волн устройства (λ 0 ) внутри AW. Входные и выходные волноводы находятся в произвольных местах d i и d 0 соответственно. Входной, выходной и волноводы массива характеризуются своей мощностью, нормализованной профилем модового поля bi(x), b0(x) и bg(x) соответственно. основные конструктивные параметры устройства: - рабочую длину волны λ 0 ; - расстояние между волноводами в массиве d w ; - число волноводов в массиве K; - фокусное расстояние L f ; - пространственно частотный фактор α; - дифракционный порядок m; - разница длин волноводов ∆l; Для оценки основных конструктивных параметров устройства необходимо знать: - число каналов N; - канальный интервал ∆λ; - эффективные показатели преломления сердцевины и оболочки n c и n 0 подложки, и материала линзы n s - радиусы модовых полей входных, выходных и волноводов массива ω i , ω 0 и ω g соответственно. Канальный интервал и число портов Канальный интервал длины волны ∆λ и число каналов длины волны N - наиболее важные параметры для проектирования AWG мультиплексора. Обычно канальный интервал длины волны ∆λ выбирается согласно ITU - сетки 50 GHz, 100 GHz, или 200 GHz. Свободный спектральный диапазон и дифракционный порядок После получения сведений о величине канального интервала ∆λ и числа каналов длин волн N, можно рассчитать свободный спектральный диапазон ∆λFSR: FSR N и дифракционный порядок m: 0 c c m n n N , 0 FSR m floor Различие длины ∆l волноводов массива Различие длины ∆l между соседними волноводами массива рассчитывается: 0 c l m n Фокусное расстояние Lf Фокусное расстояние линзы Lf можно определить по следующей формуле: 0 f D d L C где С = (0,8…1,2) – коэффициент, учитывающий то, что сигнал имеет распределение Гаусса; (рек C = 1) D – диаметр выходного пучка (за линзой); D = Kdw d – диаметр входного пучка (перед линзой); d = 2ωi λ – длина волны входного сигнала Число волноводов в массиве Число волноводов массива K - не доминирующий параметр устройства AWG, потому что ∆λ и N не зависит от него. Величина K выбирается из условия, чтобы свет, дифрагированный в свободную спектральную область, был собран апертурой массива. Как правило, это число должно быть больше, чем в 2-3 раза дифракционного порядка. 2 3 K m (рек. 2.3 K m ) |