Волоконно-оптические решетки Брэгга

В настоящее время существует несколько методов демультиплексирования, или выделения каналов. В качестве примера рассмотрим (схематично) оптоволоконную решетку Брэгга. Она представляет собой участок волокна, в сердцевине которого коэффициент преломления непрерывно и периодически изменяется. Эти изменения можно вызвать воздействием ультрафиолетового излучения, прикладываемого с помощью интерферометра или фазовой маски. Таким образом, получают пространственную дифракционную решетку, позволяющую разрешить главные максимумы дифракционной картины для каждой из длин волн. Установив соответствующую матрицу светоприемников, выделяют каналы из составного сигнала.

На рисунке 11.11 приведена модель, которую мы будем использовать для описания принципа работы дифракционной решетки Брэгга. Решетка Брэгга является последовательностью полуотражающих параллельных пластин. Эти пластины отделены одна от другой на расстояние d. Свет, состоящий из не­скольких или большого числа длин волн, входит с левой стороны. В зависи­мости от расстояния d будет наблюдаться отражение одной или нескольких длин волн.

Рисунок 11.11 - Модель дифракционной решетки Брегга

Этот отраженный свет выходит также с левой стороны, тогда как остальная группа длин волн света выйдет с правой стороны. Условия точно­го отражения длин волн, или условия Брэгга таковы:

d = -nλ_B/2, (11.1)

где п — произвольное число, а λ_B — длина волны отраженного канала; d — представляет собой шаг, или период брэгговской решетки, который должен быть целым кратным половины длины волны. Отрицательный знак означа­ет отражение, а п - означает порядок решетки Брэгга. Когда п = 1 (первый порядок), имеем d = λ_B/2, а при п = 2 (второй порядок), имеем d = λ_B. Решетка Брэгга дает возможность получить прекрасный полосовой фильтр.

Волоконная решетка Брэгга (FBG) состоит из отрезка ОВ, показатель преломления которого периодически изменяется по длине волокна. Эти изменения показателя преломления моделируют структуру решетки Брэгга. Общий метод изготовления FBG состоит в том, что волок­но подвергается интенсивному ультрафиолетовому облучению через шаб­лон, который имеет период, равный периоду решетки, подлежащей изго­товлению. Когда германий-силикатная сердцевина волокна экспонируется интенсивным светом, прошедшим через шаблон, в ней формируются струк­турные дефекты и, следовательно, возникают постоянные изменения пока­зателя преломления. Они имеют ту же периодичность, что и облучаемый ультрафиолетом шаблон.

На рисунке 11.12 схематично показана структура волоконной решетки Брэгга.

Рисунок 11.12 - Иллюстративная модель волоконной решетки Брэгга.

Для окна 1550 нм, d может быть в диапазоне от 1 до 10 мкм

Некоторые характерные применения FBG:

1) FBG широко используются вместе с оптическими циркуляторами, обычно в оптических мультиплексорах ввода-вывода (OADM), где FBG обратно отражает только те длины волн, для которых она была спроектирована. Остальная часть агрегатного потока длин волн может после этого быть передана на другой комбинации циркулятору - FBG, для того, чтобы выделить другую длину волны, и т.д. Этот принцип показан на рисунке 11.13. FBG могут быть использованы как полосовые фильтры, интерференционные фильтры, компенсаторы хроматической дисперсии, а также для выравнивания выходной характеристики усилителей EDFA.

Рисунок 11.13 - Комбинация: циркулятор-решетка FBG выделяет канал с одной несущей из агрегатного канала, за которым следует аналогичная комбинация, выделяющая другой канал. FBG - волоконная решетка Брэгга

FBG чувствительны к изменению температуры, независимо от периодичности или ширины полосы. Их обычно размещают в специальных термостатах.

2) Существует ряд приложений, где используются свойства оптической филь­трации FBG, позволяющие выделять определенные длины волн. В простей­шей форме оптическая дифракционная решетка работает как рефракцион­ный фильтр, центральная длина волны которого может управляться путем изменения периода решетки, а полоса пропускания может подстраиваться путем изменения удельной плотности полос решетки и небольшой частотной модуляцией периода решетки.

3) Еще одним применением FBG является стабилизирующий фильтр. Усилитель EDFA сделал возможным практическую реализацию систем WDМ. Различные устройства, использованные для мультиплексирования и демультиплексирования световой волны, являются пассивными и имеют потери, даже большие потери (например, такие как 20 дБ на устройство). Усилители EDFA компенсируют эти потери. Более того, они могут осуществить компенсацию всего агрегатного потока каналов WDM, тогда как регенератор должен был бы осуществлять эту работу поканально.

Предположим, что мы имеем агрегатный поток, сформированный из 32 каналов. Для его регенерации с помощью одного регенератора последовательно, нам пришлось бы долго ждать; если делать это параллельно, то пришлось бы использовать 32 регенератора. Хорошая новость в нашем случае состоит в том, что с этой работой справится один усилитель EDFA. Плохая - в том, что мы хотели бы получить на выходе один и тот же (в пределах разумного) уровень для каждого из 32 каналов.

На показатели усилителя EDFA оказывают влияние характеристики лазер­ных диодов накачки. На характеристики лазера накачки часто оказывают вли­яние нежелательные внешние отражения, направленные обратно в резонаторную полость лазера, а также флуктуации температуры и тока инжекции. Введение фильтра стабилизатора накачки на основе FBG, решило эту проблему путем запирания излучения волн длиной 980 и 1480 нм у лазеров накачки и обеспече­ния невосприимчивости к скачкам спектральной моды, вызванным изменени­ями температуры, тока возбуждения и оптической обратной связи. Ключевой характеристикой фильтра стабилизатора накачки на основе FBG является его полоса пропускания и отражательная способность по отношению к характери­стикам лазеров накачки и данному конкретному приложению.

4) Фильтр выравнивания волновой характеристики — еще одно применение FBG. Учитывая, что усиление EDFA имеет тенденцию изменяться на выходе в спек­тральной полосе 1530-1560 нм, необходимо выровнять усиление в пределах этого спектрального окна путем использования фильтров выравнивания на основе FBG. Из трех основных спектральных окон, эти фильтры позволяют уменьшить вариации усиления в окне, где используются EDFA, улучшая, та­ким образом, характеристику и упрощая конструкцию систем WDM.

5) Хроматическая дисперсия является одной из двух главных причин ухудшения передачи света на гигабитных скоростях. Общий подход, используемый для компенсации этого типа искажений, состоит в том, чтобы пропустить световой сигнал через устройство, дающее такой же уровень искажений, но противоположного знака, компенсируя, тем самым, накопленную хроматическую дисперсию. Компенсация может осу­ществляться как в каком-то одном канале, так и во всей полосе DWDM, используя, например, очень длинную дифракционную чирп-решетку.

На рисунке 11.14 приведены фильтры DWDM, основанные на волоконных ре­шетках Брэгга, в конфигурациях оптических мультиплексоров ввода-вывода.

Рисунок 11.14 - Применение фильтров DWDM на основе волоконных решеток Брэгга:

(а) интерферометр Майкельсона, (б) интерферометр Маха-Цендера, (в) конфигурация, допускающая ввод-вывод оптической несущей