Оптоволоконные линии связи

Обзор существующих методов передачи на волоконно-оптических системах передачи городских телефонных сетей.

1.1.Принципы построения и основные особенности ВОСП на ГТС

Особенностью соединительных линий (С.Л) является относительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения протяженности С.Л городской телефонной сети в крупнейших городах России свидетельствует, что С.Л протяженностью до 6 км составляют 65% от всего числа СЛ. Значительные расстояния между регенерационными пунктами ВОСП дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания (рис1.1).

РАТС РАТС

РАТС РАТС

РАТС РАТС

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. На передающей стороне на излучатель, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Внедрение ВОСП на местных сетях началось в 1986 г. вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы передачи на базе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих городах сооружены линии связи. Аппаратура «Соната-2» сопрягается со стандартным канало - и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В 1990 г. начат промышленный выпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическому кабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или 1,3 мкм. Разработана ВОСП «Сопка-Г», предназначенная для организации оптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368 Мбит/с по одномодовому и градиентному оптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура «Сопка-Г» выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системе технического обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСП для городской сети.

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

1.1.1.Линейные коды ВОСП на ГТС

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 –в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 4 видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух – трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00.

1.1.2.Источники излучения ВОСП

Источники излучения волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции излучения, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников излучения характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

1.1.3.Детекторы ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с оптическими волокнами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5, «Соната».

1.1.4.Оптические кабели ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько оптических волокон. Оптическое волокно (ОВ) – это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только оптоволокна, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси оптоволокна используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Оптическое волокно (ОВ) изготавливается обычно с внешним диаметром 100 – 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0.5 – 1.5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

Передача излучения по любому ОВ может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в ОВ устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик оптического волокна (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого излучения. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

,где  - длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 – показатели преломления материалов ОВ.

Различают оптические волокна со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в ОВ зависят от частоты, то есть оптоволокно является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовое ОВ можно ввести большую мощность.

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

На сегодняшний день для городской телефонной сети отечественной промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре и восемь волокон. Конструкция ОК-8 приведена на рис.1. 7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон – повивная, концентрическая. В центре – силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи – полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

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.

2.Одноволоконные оптические системы передачи.

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):

D_h/x₀b, Nh/b ^hb

x₀, ^Nhb, Nx₀

b=dd

__, К=h, 

где D_-угловая дисперсия;  - разре­шающая способность; - спектральная область дисперсии; - угловой интер­вал между соседними порядками спект­ра; и - 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); _и _- эффективные показатели преломления ступенчатой структуры и несущего волновода;  - 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 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. должна быть заменена на 2. 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=_jn_jn_j 

где n_j - 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 _n_j = (n_j/_)(P_j/P_), где P_j -мощность излучения, распространяю­щаяся в j-й среде, a P_- общая мощно­сть излучения в волноводе, которая, в свою очередь, определяется его параметрами. Анализ зависимости дисперсионного множителя от __и  показал, что определяющие его члены могут иметь как отрицательные, так и положительные значения, а величина этого множителя может в несколько раз превышать значение .

Схемы, приведенные на рис. 1. могут быть выполнены и гибридном или волноводном варианте. В первом случае ввод оптических сигналов (__n) 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 (__n) 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 (__n) 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 h/K (или _h/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:

_TEL_TMLK -

• для падающей ТE моды,

_TML_TELK -

• для падающей ТM моды,

где _TE и _TM - 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