Лекция 11
Спектральные распределители оптического излучения
План:
1. Основы WDW-систем и DWDM-систем;
2. Интерферометр Фабри-Перо;
3. Интерферометр Маха-Цендера;
4. Виды интерферометров;
5. Волоконно-оптические решетки Брэгга;
6. Фильтры на тонких пленках;
7. Типы oптичeских мoдyлятopoв.
Основы WDW-систем и DWDM-систем
Распределение энергии в спектре
Ни одни из источников не даст монохроматического света, т.е. света строго определенной длины волны. В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.
Дифракция (от лат. diffractus — разломанный) волн, явления, наблюдаемые при прохождении волн мимо края препятствия, связанные с отклонением волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием. Из-за Д. волны огибают препятствия, проникая в область геометрической тени.
Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов (пучностей) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.
Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. Можно также сказать, что энергия распределена по частотам, так как между длиной волны и частотой существует простая связь: nl=c.
Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность I определяется энергией D W, приходящейся на все частоты. Для характеристики распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью интенсивности излучения. Обозначим ее через I(n)..
Если оценивать рост требований на емкость/скорость передачи, показывающей, что емкость ВОСП возрастает в 4 раза каждые 18 месяцев. Из всех средств, имеющихся в нашем распоряжении, только ОВ удовлетворяет этим потребностям роста. Существует два пути удовлетворить этим требованиям:
1. Установить новый кабель с большим числом волокон или использовать имеющиеся темные волокна.
2. Применить технологию мультиплексирования с разделением по длине на уже имеющемся волокне или на новом проложенном волокне.
Технология оптического, или спектрального, уплотнения была предложена в 1980г. Дж. П. Лауде (J. P. Laude) из компании Instruments S.A.
Практически при каждом таком рассмотрении преимущество будет на стороне выбора технологии WDM, учитывая стоимость прокладки нового кабеля, особенно для длинных кабельных систем.
На ранней стадии применения ВОСП каждая работающая жила ОВ передавала один поток бит (практически каждая ВОСП содержит темные волокна, некоторые владельцы ВОК сдают их в аренду). Техника ВОСП развивалась так, что сначала осваивался диапазон несущей 1310 нм, а потом — 1550 нм. Следовательно, битовый поток передавался на некоторой длине волны этого диапазона волн. С возрастанием требований на емкость систем передачи развивалась и технология передачи в этом диапазоне волн. Когда стали осваивать диапазон длин волн 1550 нм, то следующий (второй) битовый поток был помещен в этом диапазоне. Следовательно, мы имели грубый, но эффективный вариант раннего WDM, а именно двухканальную систему. Концепция этой системы показана на рисунке 11.1.
На рисунке 11.1 разветвитель играет роль оптического комбайнера. Для простоты разветвитель (из комбайнера) мог бы быть пассивным сплиттером при использовании, например, биконического сплавного с отводами разветвителя в обратном направлении (замене входов на выходы). Сплиттер, приведенный на правой стороне рисунке 11.1, мог бы быть тем же самым устройством, использованном в обратном направлении. Оба порта этого сплиттера содержат сигналы λ1 и λ2.
Рисунок 11.1 - Концептуальная блок-схема двухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали: λ1 = 1310 нм и λ2 = 1550 нм
Фильтры, на основе технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и позволяют пропустить энергию желаемого спектра сигнала.
Паpa мультиплексор-демультиплексор является основой для системы WDM. Как показано на рисунке 11.1, мультиплексор может быть просто комбайнером — устройством объединения нескольких несущих длин волн. Демультиплексор напротив, выполняя обратную операцию, может быть совсем другим. Он должен выделять отдельные длины волн из агрегированного потока. Следовательно, демультиплексор требует использования механизма селекции длин волн. Эти механизмы делятся на две широкие категории: демультиплексоры на основе дифракции и демультиплексоры на основе интерференции.
Демультиплексоры на основе дифракции используют элементы с угловой дисперсией, такие как дифракционные решетки, которые пространственно диспергируют падающий луч на различные составляющие длины волн. Принцип действия такой решетки показан на рисунке 11.2.
Рисунок 11.2 - Принцип действия дифракционной решетки с угловой дисперсией
и фокусирующей линзой, используемой в качестве демультиплексора
Демультиплексор на основе интерференции использует свойства таких устройств, как направленные разветвители и оптические фильтры. Благодаря присущим им свойствам взаимности оптических волн в диэлектрической среде, эти устройства могут быть использованы как мультиплексоры и демультиплексоры в зависимости от направления распространения.
Необходимым элементом систем WDM является оптический усилитель типа EDFA. Достаточно высокий (20-25 дБ) коэффициент усиления усилителя EDFA позволяет компенсировать потери, вносимые пассивными элементами мультиплексора и демультиплексора, включая многие из устройств, описанных ниже. Если допустить, что мультиплексор и демультиплексор могут (каждый) вносить потери порядка 6 дБ, то мы уже имеем потери порядка 12 дБ. При увеличении числа каналов WDM потери начинают значительно расти. Потери расщепителя на разделение двух каналов равны 3 дБ, четырех каналов — 6 дБ и т.д. Вторичным эффектом этого является то, что мы привязаны к полосе 1530 - 1565 нм - рабочей полосе усилителей EDFA. Организация ITU-T разработала для этой полосы стандартизованную сетку частот с шагом между каналами 200/100/50 ГГц и возможностью его снижения до 25 ГГц. Сетка ITU-T формируется на основе уравнения:
F = 193,1 ± т 0,1 (ТГц), (11.1)
где 193,1 ТГц — опорная частота, а т — целое число.
Сущность спектрального уплотнения сводится к тому, что потоки данных переносятся световыми волнами различной длины. Несущие генерируются отдельными источниками (лазерами), модулируются некоторым цифровым сигналом и затем объединяются мультиплексором в многочастотный сигнал (рисунок 11.3). Формально технология очень напоминает мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing - FDM), широко применяемое в телефонии. Ранние версии оптического уплотнения использовали два окна прозрачности ОВ на длинах волн 1310 и 1550 нм. Это давало два широко разделенных по длине волны канала на одном световоде. Некоторые системы объединяли четыре также довольно широко (десятки и сотни нанометров) разделенных канала в полосе 1550 нм. Однако только последние достижения в технологии позволили объединить восемь и более каналов в одном волокне и тем самым говорить о плотном мультиплексировании.
Рисунок 11.3 – Схема передачи данных с помощью DWDM (Тх – передатчик, Rх – приемник, ЕDFА – оптический усилитель)
Хотя теоретические основы технологии DWDM весьма просты, техническая реализация идеи сталкивается со значительными трудностями. Достичь ее коммерческого уровня позволили разработка широкополосных оптических усилителей на основе ОВ, легированного эрбием (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA), и достаточно точных волновых демультиплексоров.
Для регенерации сигнала обычными методами с помощью электрооптических повторителей необходимо было бы сначала выполнить демультиплексирование, затем преобразовать световой сигнал в электрический, усилить его и произвести цепочку обратных преобразований. Оптический усилитель содержит участок волокна с примесью эрбия, который приводится в возбужденное состояние с помощью лазера накачки. Усиленное излучение стимулируется проходящим световым потоком. Одним из наиболее важных достоинств такого усилителя, кроме удивительной простоты, является слабая зависимость вынужденного излучения от частоты падающего света, что позволяет выполнять усиление в достаточно широком диапазоне частот (обычно это полоса 1530-1560 нм).