Мультиплексоры и демультиплексоры

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

Рис. 19.6. Демультиплексоры:1- градиентная цилиндрическая линза; 2 - дифракционная решетка- 3 - хроматический фильтр; 4 - призма; 5 - отражающее покрытие, 6 - селективные фотодетекторы

В демультиплексорах, показанных на рис. 19.6, а, б, используется угловая дисперсия решетки и призмы соответственно. На рис. 19.6, в изображена конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, а на рис. 19.6, г - структура поглощающего типа, используемая как демультиплексор. Каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода. Устройства с решеткой и призмой (рис. 19.6, а, б) являются делителями с параллельным разделением каналов, а устройства с фильтрами и селектинными фотодетекторами (рис. 19.6, в, г) - делителями с последовательным разделением каналов.

Одно из перспективных направлений - многослойные покрытия тонкой интерференционной пленкой диэлектрика. Они состоят из чередующихся тонких слоев материалов с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью. Тонкие пленки диэлектрика наносятся на подложки, в качестве которых могут использоваться стеклянные пластины, линзы или волокна. При этом можно создавать различные устройства, называемые волоконно-оптическими интерференционными фильтрами, позволяющие передавать и отклонять оптические сигналы в зависимости от длины волны.

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. Они наиболее часто применяются в системах кабельного телевидения, или в цифровых телекоммуникационных системах передачи.

Узкозонные предназначены для мультиплексирования и демультиплексирования сигналов в многоканальных системах с расстоянием между каналами от 0,8 нм до 70 нм.

Основные требования к мультиплексорам и демультиплексорам заключаются в достижении низких потерь в области узкой полосы пропускания и высокой изоляции для соседних и иных каналов.

Основные характеристики мультиплексоров и демультиплексоров.

· 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. Оно 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.

· 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.

· Потери, зависящие от поляризации. 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 изменение 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.

Оптические вентили

В волоконно-оптических системах передачи существует проблема защиты передающего оптического модуля от излучения, отраженного от элементов оптической системы, размещенных на пути распространения сигнала.

Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, может индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу.

Особо остро проблема развязки лазера стоит при создании когерентных оптических линий связи, прецизионных измерительных систем интерферометрии и спектроскопии, когда допустимы только очень малые частотные флуктуации и уширения спектральной линии, а также в различных голографических системах и многих других. Развязка необходима во всех случаях, когда требуется достаточно высокая стабильность параметров излучения лазера.

Обычно функции защиты лазера от внешнего излучения, подавления при необходимости любых других отраженных сигналов в оптической системе выполняет специальное пассивное устройство, которое называется вентилем или изолятором. Оно должно практически без потерь пропускать излучение в прямом направлении и эффективно препятствовать прохождению излучения в обратном направлении.

В оптических вентилях, использующих различие прямого и обратного излучения по частоте, разность частот обеспечивается применением акустооптического брэгговского модулятора, который расположен на пути прямого луча после фильтра, частота максимума пропускания которого совпадает с частотой прямого излучения. Обратный луч после прохождения через модулятор будет иметь частоту, отличающуюся от частоты прямого луча на удвоенную величину акустической частоты, поэтому фильтр (интерферометр Фабри-Перо) не пропустит излучение в обратном направлении.

Фазовые различия могут быть использованы в вентилях-интерферометрах, в одном из плеч которых имеется магнитооптическая среда. Фазовый сдвиг в таком плече будет зависеть от направления распространения света.

Разницу в поляризации прямого и обратного лучей используют при построении различных вариантов оптических вентилей. Например, для оптических систем с циркулярной поляризацией (или только правой, или только левой) возможно применение вентиля, в котором прямой луч последовательно проходит через поляризатор и четвертьволновую пластину, в результате чего он становится циркулярно поляризованным. Обратное излучение превращается четвертьволновой пластинкой из циркулярно-поляризованного в линейно-поляризованное, но с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации прямого луча, и, следовательно, не может пройти через поляризатор.

Высокое качество развязки поляризационных магнитооптических вентилей дает использование магнитооптического эффекта Фарадея. Этот вид вентилей является единственным в настоящее время техническим решением, позволяющим получить в принципе совершенную оптическую развязку.

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации оптического луча, распространяющегося в оптически активных средах, находящихся под действием магнитного поля. В диапазоне длин волн 1,2...4,5 мкм такими средами являются кристаллы редкоземельных гранатов, обладающих очень хорошим пропусканием и экстремально высоким удельным фарадеевским вращением плоскости поляризации на единицу длины кристалла.

На рис. 19.7 показан принцип работы оптического изолятора на фарадеевском ротаторе (ФР). Поляризаторы пропускают свет только при опре-деленной поляризации, показанной на рис. 19.7. Ротатор осуществляет поворот плоскости поляризации на 45°. Угол поворота не зависит от направления распространения света, поэтому при обратном направлении свет на выходе поляризатора 1 имеет горизонтальную поляризацию и, следовательно, поляризатор 2с вертикальной поляризацией его не пропустит.

Изоляторы с ФР имеют вносимое затухание порядка 0,8 дБ и степень изоляции D_обр » 0 дБ. В оптических гетеродинных приемниках необходимо устройство контроля состояния поляризации - поляризационные контроллеры, которые могут быть выполнены с применением ФР.

Магнитооптический вентиль должен иметь следующие характеристики:

1. Величина развязки (отношение интенсивностей прямого и обратного излучения, прошедшего через вентиль) в зависимости от назначения оптической системы должна лежать обычно в пределах 20…60 дБ. В особых случаях требуется большая развязка (до 80 дБ).

2. Вносимые потери не должны превышать 1…5 дБ. Они определяются поглощением в элементах вентиля (как правило, в основном в фарадеевском вращателе), отражениями от вентиля, дифракционными потерями и несоосностью элементов.

3. Отражения от вентиля не должны превышать десятых долей процента.

4. Должна быть обеспечена надежность и простота соединения вентиля с другими оптическими элементами (лазер, волокно).

5. Термостабильность параметров вентиля должна быть согласована с изменением длины волны излучения лазера в диапазоне температур -50…+100 ⁰С.

6. Должны быть обеспечены: достаточная широкополосность, максимально возможная микроминиатюризация элементов вентиля, технологичность изготовления, низкая стоимость.

Оптические аттенюаторы

Аттенюаторы представляют собой пассивные элементы, которые применяются для уменьшения оптической мощности, падающей на фотодетектор, во избежание насыщения приемника и для уравновешивания уровней оптической мощности в пассивных волоконно-оптических сетях. Такая необходимость может возникнуть при передаче как цифрового, так и аналогового сигнала. При цифровой передаче большой уровень способен привести к насыщению приемного оптоэлектронного модуля. При передаче аналогового сигнала слишком высокий уровень приводит к нелинейным искажениям.

Аттенюаторы находят широкое применение на магистральных, внутризоновых, распределительных и внутриобъектовых волоконно-оптических сетях. Обычно аттенюаторы устанавливают перед приемником на аппаратурной или оконечной стойке.

По принципу действия аттенюаторы бывают фиксированные и переменные.