Реферат: Оптоволоконные линии связи

Недостатки волоконно-оптической технологии:

А.Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Б.Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

В.Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями

Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Широкое применение на городской телефонной сети волоконно-оптических систем передачи для организации межузловых соединительных линий позволяет в принципе решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие годы потребность  в увеличении числа каналов будет продолжать быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности  ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических (ОВОСП) систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные ОВОСП, работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей н оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии – соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и устройств спектрального разделения каналов можно в несколько раз повысить пропускную способность и соответственно снизить  стоимость в расчете на один канало - километр.

Увеличить развязку между противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений. В  ВОСП, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые волоконно-оптические усилители.

Развязку между оптическими сигналами можно увеличить,  не прибегая к обужению импульсов, если для передачи в одном направлении когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом – модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.

Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному ОВ обеспечивает высокую

надежность оборудования и применение волоконно-оптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.

При нынешнем высоком уровне развития волоконно-оптической техники появилась возможность передавать оптически сигналы на различных модах ОВ с достаточной для  ВОСП развязкой, при этом дуплексная связь по одному ОВ организовывается на двух разных модах, распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей мод излучения.

Каждая одноволоконная ВОСП рассмотренных типов имеет достоинства и недостатки. В таблице 1.1 показаны достоинства (знаком «+») систем, их возможности в отношении достижения наилучших параметров.

2.1.    Волноводные оптические системы спектрального мультиплексирования/демультиплексирования

С появлением волоконных световодов (ВС) и интегральной оптики (ИО), ос­нованной на волноводном распростране­нии света в тонких пленках, проблема освоения и использования огромного опти­ческого диапазона в интересах связи при­обрела практическое значение. Этому также способствовали успехи в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), планарных оптических волново­дов, интегральных полупроводниковых лазеров и других приборов ИО. Толчком к существенному продвижению в решении данной проблемы стало пред­ложение и разработка волноводных спект­ральных мультиплексоров/ демультиплексоров (ВСМ/Д), позволяющих уплотнять/разуплотнять каналы связи во всем опти­ческом диапазоне и сравнительно просто выполнять канализацию отдельных "уз­ких" оптических каналов. При этом широкое использование оптических си­стем волноводного спектрального

 Таблица 1.1  - Сравнительная характеристика принципов построения одноволконных  ВОСП

мультиплексирования/демультиплексирования позволяет не только решать задачи око­нечных устройств волоконной связи на дальние расстояния (материк - материк, город - город), но и перейти к решению задач внутригородской связи, вплоть до связи типа дом - дом. Кроме того, достоинством ВСМ/Д является возмож­ность их реализации с помощью извест­ных, хорошо разработанных технологиче­ских методов микроэлектроники и инте­гральной оптики, дающих возможность на одном кристалле объединить оптические и электронные схемы, а также обеспечить соединение с ВС. При этом научная и технологическая база для коммерческого использования ВСМ/Д в основном под­готовлена.

2.1.1.    Принципиальные схемы и основные характеристики ВСМ/Д.

В основе ВСМ/Д лежит известный объемный ана­лизатор спектра типа эшелона Майкельсона, представляющий собой фазовую решетку со сравнительно небольшим числом интерферирующих лучей и боль­шой постоянной разностью фаз между соседними лучами. Его волноводное воплощение получило ряд названий (ВСМ/Д, волноводный спектральный анализатор (ВСА), спектральный муль­типлексор на основе матрицы сфазированных волноводов (фазар) и др.). По сути, все названия относятся к одному и тому же устройству.

рис.2.1

Основные характеристики ВСМ/Д и ВСА в связи с принципом обратимости хода лучей, практически одинаковы, а вывод формул можно провести по ана­логии с выводом для объемного эшелона Майкельсона, с учетом тою, что лучи света распространяются по планарным (канальным) волноводам или волокон­ным световодам. На рис.2.1 приведены схемы диспергирующих систем ВСА прозрачного типа (а), ВСМ/Д на основе канальных волноводов (б) и ВСА на основе волоконных световодов (в). Фор­мулы, определяющие основные характе­ристики ВСМ/Д и ВСА, выполненных из одномодовых волноводов, имеют вид (рис. 2.1.а):

Dj=h/gx0lb,                   Â=Nh/lb            Dl=l2/hb

Dj=l/gx0,                       dl=l2/Nhb,         dj=l/Ngx0

                               b=dg-l(dDg/dl)

                     Dg=g1-g2,                      К=Dgh/l,                                (1.2)

где Dj - угловая дисперсия; Â - разре­шающая способность; Dl - спектральная область дисперсии; Dj - угловой интер­вал между соседними порядками спект­ра; dl и dj - минимальный интервал и минимальный угол между двумя разре­шенными по Рэлею линиями; b - диспер­сионный множитель; h - постоянная разность длины пути между соседними ступенями (волноводами); x0 - ширина ступеней (каналов); g1 и g2- эффективные показатели преломления ступенчатой структуры и несущего волновода; l - длина волны в вакууме; N - число интерферирующих лучей (каналов); К -порядок спектра. Для волноводных мультиплексоров на основе канальных волноводов и волоконных световодов (рис. 2.1.б и 2.1.в) разность Dg в приведенных формулах должна быть заменена на значение эффективного показателя пре­ломления соответствующих волноводов. При этом для ВСА отражательного типа необходимо учесть удвоение оптического пути в диспергирующей структуре, т. е. Dg должна быть заменена на 2g. Во всех перечисленных случаях дисперсионный множитель оказывается более сложным, чем для объемного эшелона Майкельсо­на, ввиду волноводного распространения излучения. Для ВСА (рис.2.1.а) он может быть представлен в виде:

b=Dg-l(sDg/sl)-lSj(sDg/snj)(snj/sl)                                                (1.3)

где nj - показатели преломления сред, образующих волноводы. Второй и тре­тий члены, входящие в (1.3), определяются волноводной дисперсией и материальной дисперсией сред, образующих волно­воды, с учетом доли мощности излуче­ния, распространяющейся в каждой среде, в соответствии с соотношением sg1,2/snj = (nj/g1,2)(Pj/PS), где Pj -мощность излучения, распространяю­щаяся в j-й среде, a PS - общая мощно­сть излучения в волноводе, которая, в свою очередь, определяется его параметрами. Анализ зависимости дисперсионного множителя от g1, g2 и Dg показал, что определяющие его члены могут иметь как отрицательные, так и положительные значения, а величина этого множителя может в несколько раз превышать значение Dg.

Схемы, приведенные на рис. 1. могут быть выполнены и гибридном или волноводном варианте. В первом случае ввод оптических сигналов (l1, ... ln) в несущий волновод и далее в дисперги­рующую систему осуществляется с по­мощью линзы и призмы связи или непосредственно от ВС с помощью волноводной линзы. На выходе дисперги­рующей системы в фокальной плоскости выходной линзы наблюдается спектр принимаемых сигналов. На основе тео­ретических исследований были изготовлены соответствую­щие макеты с заданными расчетными параметрами и получены согласующиеся результаты. В частности, на во­локонном спектроанализаторе (рис.2.1.в) с разрешением 106 было продемонстриро­вано разрешение продольных мод He-Ne лазера, отстоящих друг от друга на 0,08А.

Перспективным направлением в раз­витии ВСМ является объединение дис­персионного и фокусирующего элемен­тов. Впервые такое объеди­нение было предложено и осуществлено путем создания квадратичного фа­зового распределения на выходе диспер­гирующей системы, получаемого в ре­зультате небольшого изменения длин оптических каналов диспергирующей системы. Фокусировка наблюдалась в планарном волноводе в фокальной плос­кости фокусирующей системы. Сейчас описанная схема с незначительными изменениями используется в большинстве работ, по­священных ВСМ/Д. В подобной схеме вход и выход диспергирующей системы связаны с помощью двух звездных сое­динителей и волноведущих пластин, вы­полняющих роль фокусирующих элемен­тов (рис. 2.2). Оптические сигналы на фиксированных

рис2.2

длинах волн (l1, ... ln) поступают с волоконного световода на вход одного из звездных соединителей, проходят по планарному волноводу и возбуждают канальные волноводы дис­пергирующей системы. Последние имеют постоянную разность оптическо­го пути между соседними каналами. Во втором звездном соединителе оптиче­ские сигналы разделяются простран­ственно по длинам волн (l1, ... ln) и фокусируются на торцы выходных ВС. Таким образом, происходит демульти­плексирование входных оптических сигналов. При обратном ходе лучей схема работает как мультиплексор.

В приведенных выше схемах предпо­лагалось использование одномодовых волноводов и,  соответственно, одномодового режима работы, для которого выполняется условие фазового согласования при длине волны l=Dgh/K (или l=Dg1h/K для канальных волноводов). Так как эффективные показатели преломления для ТЕ и ТМ мод в волново­дах различаются из-за обычно имеюще­го место двулучепреломления, то усло­вие фазового согласования для них так­же будет различаться. Для компенсации различия эффективных показателей пре­ломления был предложен ряд методов. Наиболее обещающим для ВСМ/Д представляется метод полувол­новой пластинки, которая вставляется в канавку в середине волноводной матри­цы (см. рис.2.2). Чтобы изменить направление поляризации от ТЕ к ТМ моде и наоборот, ее главная ось устана­вливается под углом 45° к поверхности волновода. Длины волн падающих ТЕ и ТМ мод будут скорректированы в соот­ветствии с равенствами:

l=gTEDL/2+gTMDL/2/K -

-  для падающей ТE моды,

l=gTMDL/2+gTEDL/2/K -

-  для падающей ТM моды,

где gTE и gTM - эффективные показатели преломления волноводов для ТЕ и ТМ мод соответственно. Как видим, зависимость от поляризации полностью ком­пенсируется с помощью этого метода. Данный метод отличается тем, что для исключения зависимости от поляризации нет необходимости в уменьшении двулучепреломления волноводов. В случае ВСМ/Д на основе волноводов из SiO2/Si используется кварцевая пластина, так как ее показатель преломления близок к показателям преломления волноводов.

Следует отметить также метод ис­ключения поляризационной зависимости с помощью осаждения аморфной квар­цевой пленки на волновод. Пленка имеет остаточную деформацию и компенси­рует волноводное двулучепреломление. Преимущество этого метода состоит в том, что при его использовании избыточные потери вследствие введения пле­ночной волноводной вставки могут быть уменьшены до 0.4 дБ. Таким образом, предлагаемые методы могут  обеспечить практическую реализацию ВСМ/Д с поляризационной независимостью и низкими вводимыми потерями.

2.1.2.    Реализация ВСМ/Д.

Исходя из пер­спектив использования ВСМ примени­тельно к связи особую значимость при­обретают такие характеристики, как за­тухание оптических сигналов в процессе прохождения через мультиплексор, мак­симальное количество каналов, плос­кость амплитудно-частотной харак­теристики мультиплексора по каналам во всей полосе длин волн (частот) муль­типлексора и в пределах отдельного канала, перекрестные помехи, независи­мость от поляризации и, наконец, стои­мость устройства. Рассмотрим некото­рые варианты реализации ВСМ.

Волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры (ВСМ/Д) на SiO2. Важное значение для использо­вания мультиплексоров имеют потери в устройствах, которые включают потери в прямолинейных волноводах, на изги­бах, в звездных соединителях, при сты­ковке планарных волноводов с каналь­ными волноводами и с волоконными световодами. Объединяя все потери, при­нято иметь в виду потери "на кристал­ле", т.е. в волноводной схеме, и потери при передаче волокно-волокно. В по­следнем случае включаются потери на стыковку входного ВС с планарным волноводом звездного соединителя и потери при вводе излучения из второго звездного соединителя в выходные ВС (см. рис. 2.2).

Потери в волноводах и при изгибе канальных волноводов можно свести к минимуму путем выбора соответствую­щих материалов волноводов, их пара­метров и достаточно большого радиуса кривизны. Потери при соединении кана­льных волноводов с планарными волно­водами звездных соединителей могут быть значительными. Для их уменьшения предложено использовать рупоры, сужающиеся волноводы, изменять рас­стояния между выходными концами ка­нальных волноводов и т. п. Для волноводной системы SiO2/Si потери при пере­даче волокно - волокно составили 2,3 ... 2,8 дБ. При этом потери на кристалле соответствуют 1,7 дБ.

Систематическое изучение потерь в ВСМ было проведено с помощью про­граммы, учитывающей распространение излучения в трехмерном

каналь­ных волноводов (толщина пластины, ширина волновода, высота гребня и др.) на потери при передаче мощности из канальных волноводов в область звезд­ного соединителя. Область перехода ка­нальных волноводов к звездному соеди­нителю и их поперечное сечение показа­ны на рис. 2.3, 2.4. 

Поля в этих волноводах могут быть связаны с полем на другой стороне звездного соединителя с помо­щью преобразования Фурье. Поскольку все каналы фокусируются в точке на другой стороне звездного соединителя и поскольку каналы образуют периоди­ческую матрицу, нужно только смоделировать поле, исходящее из отдельного канала. Поля, которые образуются в результате возбуждения другими кана­лами, получаются путем суперпозиции. При вычислении полей рассматривается распространение света от одиночного волноводного канала до конца матрицы, затем вычисляется перекрытие полей с модами волноведущей пластины, чтобы определить поля, принимаемые с помо­щью звездного соединителя, и после этого производится быстрое преобразо­вание Фурье. В результате получается поле на другом конце звездного соеди­нителя.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12