Шпоры по мультиплексорам. шпоры Шарангович1. 1. История развития многоволновых восп и устройств волнового уплотнения wdm. Мировой
 Скачать 1.86 Mb.
|
|
Центральная длина отраженной оптической волны λi Прежде всего, каждый фильтр должен быть настроен на свою длину волны λi ( 1, 2, …, n; n — число каналов демультиплексора) для выделения из группового сигнала одного информационного канала. Это означает, что на заданной длине волны коэффициент отражения I(λi) должен быть максимальным, (λi) 0, т.е. когда выполняется условие Брега. Из выражения видно, что на центральную длину отраженной волны влияют все конструкционные параметры фильтра, кроме толщины структуры L Ширина полосы пропускания (BW) Ширина полосы пропускания фильтра определяет переходные помехи в демультиплексоре. Чем она уже, тем большее число каналов можно разместить в одном и том же частотном диапазоне. На ширину полосы пропускания интерференционного фильтра оказывает влияние значение постоянной связи (2.19), в которую входит разностью показателей преломления, и толщина структуры L. Важно подобрать такие значения этих параметров, чтобы коэффициент отражения для λi был максимальным (т.е. равным 1), а ширина полосы пропускания фильтров такая, что переходные помехи Pi у демультиплексоране превысят заданных.Таким образом, чтобы найти максимальное отражение при заданнойцентральной длине волны li необходимо, чтобы выражение (2.23) было близко к единице (это связано с областью определения функции гиперболического тангенса): Как было сказано выше, на максимальное отражение и ширину полосы пропускания существенное влияние оказывает длина периодической структуры L и разность n n n1 . Чем уже должна быть ширина полосы пропускания, тем больше должно быть . Следовательно, уравнение (2.25) можно переписать в виде Из этого уравнения можно выразить только толщину : Таким образом, для достижения у демультиплексора заданных переходных помех необходимо у фильтров варьировать величину Dn, а толщина структуры для i-го фильтра будет определяться выражением (2.27). Следует заметить, что толщина структуры в границах частот плана ITUT практически не изменяется, и ее можно считать постоянной для всех фильтров, входящих в демультиплексор, а в качестве эталонной толщины взять значение L n 31, 33. Принцип действия оптических демультиплексоров на основе фильтров Фабри-Перро Основные параметры и характеристики Два полупрозрачных зеркала, расположенных на некотором расстоянии друг от друга образуют резонатор Фабри — Перро (рис. 2.26) Рис. 2.26 — Конструкция фильтра на основе резонатора Фабри — Перо: L — длина резонатора Отраженный луч внутри резонатора многократно отражается от зеркал, и, если L кратно λk/2, то все лучи, проходящие через правое зеркало, оказываются в фазе. Длины оптических волн λk называются резонансными. Данная конструкция очень чувствительна к погрешностям изготовления. Наличие очень узких максимумов приводит к тому, что при незначительном отклонении длины резонатора от заданной пик пропускания существенно смещается. Особенно критичны к погрешности длины резонатора фильтры с более высокими коэффициентами отражения зеркал. Полоса пропускания таких фильтров достаточно широкая по сравнению с фильтрами на пленках, а аппаратная функция имеет периодический характер, что делает их применение в WDM-системах с большой плотностью размещения каналов практически невозможным. Для фильтров Фабри — Перо можно предложить схему, показанную на рис. 2.27. С оптического волокна сигнал поступает на набор фильтров,настроенные каждый на «свою» оптическую несущую. Рис. 2.27 — Схема оптического демультиплексора многоволнового сигнала Интересной особенностью фильтра Фабри — Перо является возможность его динамической настройки на заданную длину волны путем изменения расстояния между зеркалами. Но высокую разрешающую способность можно реализовать только в том случае, когда коэффициент отражения зеркал близок к единице. Коэффициент пропускания фильтра на основе резонатора Фабри — Перо (аппаратная функция или спектр пропускания) рассчитывается по формуле (2.28). Спектр пропускания фильтра имеет периодический характер. Рис. 2.28 — Типичный вид аппаратной функции фильтра на основе резонатора Фабри — Перо Центральная длина отраженной оптической волны для пропускания оптической волны с центром на λi, должно выполняться следующее отношение: Ширина полосы пропускания. На ширину полосы пропускания фильтра на основе интерферометра Фабри — Перо оказывает влияние коэффициент отражения зеркал R и длина резонатора L. Чем выше коэффициент отражения зеркал R и больше значение L, тем уже будет ширина полосы пропускания. Из-за периодичности аппаратной функции фильтра следующий максимум первого канала может попасть в спектр последнего информационного канала (рис. 2.29). Поэтому необходимо рассчитать такую длину резонатора L, чтобы период аппаратной функции был больше свободного спектрального диапазона демультиплексора (ΔλFSR = λn –– Δλ1). 34. Принцип действия оптических демультиплексоров на основе дифракционных решеток. Основные параметры и характеристики. Принцип действия данного демультиплексора основан на пространственном разделении группового сигнала с помощью голографических дифракционных решеток записанных в фотополимерном материале (ФПМ). Фактически, это серия дифракционных решеток, настроенных на определенную длину волны, но не стоящих последовательно, а записанных в одну пространственную область ФПМ. Применение такой технологии демультиплексирования приведет к увеличению мощности дифрагируемых лучей полезного сигнала, так как они не будут проходить через цепочку последовательно стоящих фильтров, и значительно облегчит конструкцию демультиплексора, что приведет к удешевлению устройства. На рис. 2.31 схематически изображена схема демультиплексора на основе ФПМ, в котором записаны две голографическме дифракционные решетки пропускающего типа под разными углами к оси х. Падающее на ФПМ оптическое излучение с раличающимися длинами волн испытывает брэгговскую дифракцию на соответствующих дифракционных решетках. Дифракционные световые лучи распространяются под различными углами (т.е. разделяются пространственно), после чего поступают каждый на свое фотоприемное устройство (ФПУ). Рис. 2.31 — Применение наложенных голографических решеток в ФПМ для демультиплексирования группового оптического сигнала Более детально принцип селекции длин волн показан на рис. 2.32. Для удобства визуализации наложенные голографические решетки размещены последовательно. Пусть из оптического волокна на ФПМ падает пучок света с длинами волн λ1, λ2, … ,λn. Так же пусть в ФПМ записаны две решетки со своими векторами К1, и К2, соответствующими длинам волн λ1 и λ2. На первой и второй решетке свет с длинами волн λ1 и λ2 будет дифрагировать на углы Ψ1 и Ψ2, а остальные световые лучи с длинами волн λ3, … ,λn пройдут через ФПМ. угол под которым будет дифрагировать луч. Угол определяется из условия Брэгга: где — период решетки. Для последовательной записи голограмм период решеток одинаков, т.к. угол записи всех голограмм постоянен, а изменяется только наклон ФПМ на угол ΔΨ. Следовательно оценочное значение ΔΨ найдется как Максимальную достижимую дифракционную эффективность голографических решеток можно оценить по формуле где n — число наложенных решеток в ФПМ. Относительную ширину полосы пропускания каждого канала можно оценить по формуле Оптические мультиплексоры с добавлением и отводом каналов. Конфигурация и характенистики волноводного многоканального оптического мультиплексора Оптический мультиплексор с добавлением и отводом каналов (МД/О) является устройством, предоставляющим одновременный доступ ко всем каналам на соответствую- щих длинах волн в системах связи с ВСМ/Д. В англоязычной литературе используется терминология Add/ Drop Multiplexer (A/DM). На рис. 2.12 приведена конфигурация такого волноводного 16-ти канального оптического мультиплексора. Его устройство состоит из четырех ВСМ/Д и 16-ти двухпозиционных термооптических (ТО) переключателей. Четыре ВСМ/Д с одинаковыми параметрами расположены в месте пересечения их планарных фокальных областей. В диапазоне 1.55 мкм спектральные интервалы между канала- ми и область дисперсии составляли 100 и 3300 ГГц (26,4 нм) соответственно. Сигналы, поступающие с мультиплексора ( ) с равными спектральными интервалами между ними, поступают на главные входные порты (добавленные порты). Разделившиеся с помощью ВСМ/Д1 (ВСМ/Д2) 16 сигналов вводятся в левые плечи (правые плечи) ТО пере- ключателей. Любой оптический сигнал, введенный в двухпозиционный ТО переключатель, проходит через кросс- порт одного из четырех итерферометров Маха-Цендера, прежде чем достичь выходного порта. С другой стороны, любой сигнал с определенной длиной волны может быть удален из главного выходного порта и приведен к отводящему порту после изменения соответствующего условия в переключателе. Сигнал с той же самой длиной волны, что и отведенный, может быть добавлен в главный выходной порт, если будет поступать на добавленный порт (рис. 12). Например, если ТО переключатели SW 2 , SW 4 , SW 6 , SW 7 , SW 9 ,SW 12 , SW 13 и SW 15 находятся в положении "Вкл.", выделенные сигналы 2, 4, 6, 7, 9, 12, 13 и 15 выводятся из главного выходного порта (сплошная линия) и присоединяются к отводящему порту (пунктирная линия), как показано на рис. 2.13. Перекрестные помехи для положений "Вкл. - Выкл." оказались меньше 28,4 дБ при потерях на кристалл 8...10 дБ. Как видим, МД/О весьма привлекательны для всех систем связи с ВСМ/Д и позволяют оптической сети быть прозрачной для сигналов с большими битовыми скоростями и форматами. Интеграция оптических устройств. Перспективы использования ВСМ/Д на оконечных станциях ВОЛС, связанные с возможностями их интеграции с источниками излучения, Интегральные источники излучения. На передающих станциях излучение от матрицы лазеров, работающих на длинах волн n . должно быть объединено в один канал для ввода в волоконный световод оптической линии связи. Это может быть осуществлено путем использования матрицы из Y-соединителей. путем соединения излучения лазеров с помощью ВСМ. объединения усилителей и ВСМ в единый интегральный блок с одним выходным каналом, а также другими способами. Объединители на основе InP были интегрированы с решеткой из че- тырех лазеров с распределенной обратной связью (РОС) с длинами волн излучения в области 1,55 мкм и спектральным интервалом между отдельными излучателями 2 нм, выполненными на единой подложке. При этом вносимые потери составляли значительную величину. В дальнейшем потери были не- сколько уменьшены. На рис.2.7 приведена интегральная схема модуля из четырех РОС лазеров, состыкованных с мощностным полимерным (1х4) объединителем, так же выполненным на подложке из InР. Поперечное сечение заращенной полимерной структуры показано на рис.2.8.Изготовление модуля проводилось в два этапа. На первом методом молекулярной эпитаксии и травления реактивным ионным пучком были изготовлена лазерная структура с заращенными гребневыми волноводами. Переход от активной области к пассивной достигался с помощью вертикального травления, вплоть до подложки с использованием СН 4 /Н 2 /Аr. На втором этапе на основе волновода из полисульфона в качестве волноводного слоя и ПММА в качестве обрамляющих слоев был создан пассив- ный объ еди нит ель. Сна чал а на под лож ку из InP с помощью центрифуги наносились полимерные слои, а затем путем фотолитографии и реактивного ионного травления формировались полосковые волноводы объединителя. Аналогичные модули были реализованы с использованием матрицы из лазеров с распределенными брэгговскими отражателями (РБО) (рис.2.9). В отличие от РОС лазеров, работающих на фиксированной длине волны, определяемой периодом брэгговской структуры, РБО лазеры позволяют более гибко подстраивать длину волны путем изменения тока в пассивной секции брэгговского отражателя. Изменение тока на брэгговском отражателе позволяло производить подстройку длины волны генерации с точностью лучшей, чем ±0,2 нм. Устройство было реализовано в три стадии роста с помощью мсталлорганичсской эпитаксии из газовой фазы (MOVPE). Вначале изготавливался активный слой из четырех InGaAsP напряженных потенциальных ям с оптическим ограничением. Активные лазерные области подвергались сухому травлению, а пассивный слой с шириной запрещенной зоны 1.3 мкм был получен в процессе селективного эпитаксиального роста при использовании маски из нитрида кремния. В результате была реализована структура, состоящая из активных и пассивных областей, соединенных в торец. Для точного подбора толщины решетки на верхней части пассивного слоя выращивалась структура, состоящая из четырехкомпонентного тонкого слоя, помещенного между слоями InP. Затем с помощью одномерной голографической литографии изготавливались четыре решетки с разными периодами. Для построения оптических сетей с ВСМ/Д перспективно использовать источники излучения, которые генерируют одновременно ряд частот со стабильными строго контролируемыми спектральными интервалами между ними. Такими источниками являются многочастотные лазеры (МЧЛ), представляющие со- бой усилители со сколотыми зеркальными гранями и вместе с одиночным выходным портом образующие оптический резонатор (рис. 2.10). Если усилители обеспечивают достаточное усиление, чтобы скомпенсировать все потери резонатора, то происходит генерация лазера на длине волны, определяемой фильтром соответствующего канала. Интер- валы между оптическими каналами обусловлены внутренним резонатором и определяются с большой точностью. Одновременное действие на всех длинах волн достигается простым запуском всех усилителей. Устройство может обеспечивать мощность 13 дБм на канал при вводе в одномодовое волокно при одновременной работе всех каналов. Сравнение МЧЛ и матрицы РОС лазеров позволило оценить преимущества и недостатки каждого из них. Так, каждый отдельный РОС лазер может модулироваться с очень высокой скоростью, так как имеет короткий ре- зонатор. Кроме того, размеры кристалла РОС лазера значительно меньше размеров МЧЛ, так как в этом случае отсутствуют и фокусирующая решетка, и волноводная матричная решетка. Однако преимущество МЧЛ состоит в том, что они позволяют получать спектральное расположение оптических каналов с высокой точностью, обусловленной использованием независимого фильтра для каждой генерируемой длины волны. В отличие от МЧЛ индивидуальные длины волн, матрицы РОС лазеров могут дрейфовать друг относительно друга в результате старения. В дополнение к недостаткам матрицы РОС лазеров можно отнести и то, что ее внутренние потери пропорциональны числу каналов, вследствие чего их увеличение затруднительно. На основе проведенного сравнения можно сделать следующие выводы. Если необходимо малое число каналов, предпочтительн ей оказываются РОС лазеры ввиду их компактности. Однако когда число каналов с различными длинами волн увеличивается, свойственный МЧЛ контроль за расположе- нием оптических каналов по спектральным интервалам может способствовать значительному увеличению недостатков, связанных с его размерами. Следовательно, МЧЛ может найти широкое применение в системах с волноводным спектральным уплотнением, требующих большого числа каналов с различными длинами волн, но с умеренной скоростью передачи данных в одном канале. Интеграция ВСМ и фотоприемников. Четырехканальный демультиплексор с малыми потерями был монолитно интегрирован с фотодетекторами. Демультиплексор состоял из диспергирующей волноводной системы, соединенной с планарными фокусирующими областями (рис. 2.11). В устройстве использовались гребневые волноводы с поперечной разностью показателей преломления 0,037 и n эфф =3,29 (для ТЕ-поляризации). Ширина и высота гребня составляли соответственно 2 и 0,35мкм.Свет из выходных волноводов поступал на фотодетекторы с помощью устрой- ства связи, использующего проникающее поле. Для увеличения поглощения в фотодетекторе слоистая структура была оптимизирована. Эта структура выращивалась на подложке из n + InP методом MOVPE и имела нелегированный буферный слой InP толщиной 1,5 мкм, нелегированный волноводный слой InGaAs (2=1,3 мкм) - толщиной 0,6мкм,нелегированный верхний обрамляющий слой волновода - 0,3 мкм, поглощающий слой n-InGaAs (1 х 10 17 см -3 ) - 0,27 мкм, слой p-InP (1 х 10 18 см -3 ) - 0.5 мкм и неволноводный контактный слой р-InGaAs (2x 10 18 см -3 ) – 0,1 мкм. Размеры фотодетектора - 150 х 80 мкм 2 . Внутрен- ний квантовый выход был лучше 90 %. Вне фотодетектора выращивалась слоистая структура, содержащая тонкие волноводные слои. Измерение характеристик демультиплексора проводилось с помощью пере- страиваемого лазерного источника. Измеренный интервал между каналами составил 1,8 нм. Полная ширина полосы канала по уровню 0.5 была равна 0,7 нм. Демультиплексор, монолитно интегрированный с фотодетекторами имел по- тери для ТЕ-поляризации 3-4 дБ, для ТМ-поляризации на 0,5 дБ больше. Внешняя чувствительность фотодетектора составляла 0,12 А/Вт. Полные внешние потери, включая потери на связь фотодетектора с волноводом, составляли 10 дБ, перекрестные помехи – 12 ... 21 дБ. Устройство, включая фотодетекторы и входные полосковые волноводы, имело размеры 3,0 х 2,3 мм 2 |