Пассивные и волоконно-оптические элементы

 

Качество связи и эксплуатационные расходы любой ВОСП во многом определяются ее пассивными оптическими элементами.

Согласно рекомендации G 671 МСЭ 1996 г., к пассивным опти­ческим компонентам относятся:

- мультиплексоры и демультиплексоры, включая WDM устройства;

- разветвители, ответвители, разделители (сплиттеры);

- аттенюаторы;

- изоляторы;

- переключатели, коммутаторы;

- пассивные компенсаторы дисперсии;

- коннекторы и другие соединители;

- оконцеватели для подавления отражений;

- адаптеры;

- волоконно-оптические циркуляторы;

- соединительные муфты;

- ремонтные вставки.

Каждый тип сети требует использования определенного числа как общих, так и специальных типов пассивных устройств.

Ответвителем является неселективный пассивный элемент, обладающий тремя или более портами и распределяющий мощ­ность между ними в определенном соотношении без какого-либо усиления, переключения или какой-то модуляции.

Термин разветвитель используется как синоним элемента от­ветвляющего поток. Он используется также для определения струк­туры, распределяющей оптическую мощность между двумя оптиче­скими волокнами или между активным устройством и волокном.

Аттенюатор - пассивный элемент, осуществляющий управ­ляемое ослабление сигнала в ВОЛП. Аттенюаторы применяются в ВОСП для уменьшения оптической мощности, падающей на фотодетектор, во избежание насыщения при­емника и сокращения срока его службы, а также для уравновешива­ния уровней оптической мощности в пассивных ВОС. Они устанавливаются как на передающей, так и на приемной стороне оборудования ВОСП.

Существуют постоянные и переменные аттенюаторы. Последние применяются, как правило, в течение срока службы ВОСП для пери­одической подстройки передаваемой, а чаще принимаемой оптичес­кой мощности.

По принципу действия различают аттенюаторы с контактирующими и не контактирующими волокнами.

Фильтр - пассивный элемент, используемый для модификации проходящего через него оптического излучения, как правило, за счет изменения спектрального распределения мощности. В частности, волоконно-оптические фильтры обычно используют для отсечения или поглощения оптического излучения в определенных областях длин волн и пропускания излучения на других длинах волн.

Изолятор - оптическое устройство, не обладающее свойством взаимности, предназначенное для подавления обратного отраже­ния в ВОЛП и имеющее минимальные вносимые потери в прямом направлении. Оптические изоляторы используются для подавления оптических сигналов, отраженных от неоднородностей, образуемых оптическими соединителями, разветвителями, оптическими усилителями. Оптичес­кий изолятор обеспечивает пропускание оптического излучения в пря­мом направлении почти без потерь (0,1...0,3 дБ), а в обратном направ­лении с большим затуханием (>30 дБ). Изоляторы входят в состав оптических усилителей, лазерных систем и используются в качестве отдельного элемента оптических линий и сетей связи.

Терминатор (оконечный элемент) - элемент, используемый для терминирования оптоволокна (оконцованного или нет) с целью по­давления отражения.

Переключатель (коммутатор) - пассивный элемент, имеющий один или больше портов, которые передают, блокируют или пере­направляют оптическую мощностью одно из волокон ВОЛП.

Компенсатор - пассивный элемент, используемый для компенса­ции хроматической дисперсии одного из оптических трактов.

Оптический разъем - элемент, прикрепленный к одному из оптиче­ских кабелей или отдельной части оборудования для осуществления частых соединений/разъединений оптических волокон или кабелей.

Разъемные соединители (разъемы-коннекторы и соединительные розетки) используются в ВОЛС и ЛВОС для подключения оптическо­го кабеля к коммутационно-распределительным устройствам, оконеч­ному (терминальному) оборудованию и контрольно-измерительной аппаратуре.

К оптическим разъемам предъявляются высокие требования: ма­лые стыковочные потери, низкий коэффициент отражения и высокая надежность работы в различных условиях эксплуатации.

Для качественного соединения ОК требуется уст­ранить попадание воздуха между торцами совмещаемых ОВ. Для этого торцы ОВ шлифуют и придают им сферическую форму, благодаря чему при соединении волокон их торцы плотно прижимаются друг к другу и возникает оптический контакт (Physic Contact — PC). В разъеме зна­чительно снижаются потери и обратное рассеяние из-за френелевского отражения на границе «стекло-воздух». Качество полировки торцов определяет величину коэффициента отражения оптического соедините­ля. Типичные значения обратных отражений: менее 30 дБ (PC), ме­нее 40 дБ (Super PC), менее 50 дБ (Ultra PC). При использовании тех­нологии АРС (скошенный торец) можно получить коэффициент отра­жения менее 75 дБ.

Все современные разъемы-коннекторы изготавливаются путем вклейки ОВ в керамический сердечник с последующей полировкой торца.

Параметры, определяемые пассивными элементами:

Вносимые потери - уменьшение оптической мощности между входным и выходным портами пассивного элемента в дБ, опреде­ляемое как

IL = -10log(P₁/P₀)

Вносимые потери являются отношением оптической мощности, по­даваемой на входной порт соответствующего оптического устройства, к оптической мощности, излучаемой из любого выходного порта, выра­женной в дБ. Вносимые потери включают такие параметры, как потери на разветвление, в случае разветвителей, для других устройств ветв­ления мы используем понятие дополнительные потери.

Возвратные потери - часть входной мощности, которая воз­вращается из входного порта пассивного элемента. Они опре­деляются, как

RL = - 10log(P_r/Pi)

где P _i- оптическая мощность, вводимая во входной порт, аР_r - оп­тическая мощность, полученная обратно из того же порта.

Отражательная способность - отношение R отраженной мощности Р_rк падающей мощности Р_р, определенное для данного порта пас­сивного элемента при заданных условиях спектрального распреде­ления, поляризации и геометрического распределения, выражен­ное в дБ, а именно:

R = -10log(P_r/Pi).

Потери, зависящие от поляризации (PDL) соответствуют мак­симальной вариации вносимых потерь, вызванной вариацией со­стояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех воз­можных состояний поляризации.

Обратные потери - мера уменьшения оптической мощности (в дБ), распространяющейся в обратном направлении, в результате установки изолятора. Излучающим портом здесь является выходной порт изолятора, а приемным портом - входной порт изолятора. По­тери определяются следующей формулой:

BL = - 10log(P_ob/P_ib),

где Р_оb - оптическая мощность, измеренная на входном порте изо­лятора, когда мощность P_ib излучается в рабочий порт. При нор­мальной работе P_ib - оптическая мощность, отраженная от уст­ройств, установленных на удаленном конце оптической линии и направленная обратно так, что попадает в выходной порт изо­лятора, потери которого и измеряются.

На основе пассивных оптических компонентов строятся пассив­ные оптические сети (ПОС).

Согласно рисунку 7.8, основными пассивными элементами, кото­рые обеспечивают связь между передатчиком и приемником, явля­ются ОК с ОВ, соединение строительных длин ОК с помощью соединительных муфт, в которых ОВ соединяется с помощью сварки, и механические соединители - коннекторы, которые подсоединяют ОВ к аппаратуре (передатчику и приемнику) и атте­нюаторы. Учитывая различные источники излучения, необходимо при малых расстояниях на передающей аппаратуре вместе с коннекторами включать аттенюаторы для уменьшения мощности сигнала передатчика, поступающего в ОВ.

Рисунок 7.8 - Основные элементы, обеспечивающие связь между передатчиком и приемником

1 - передатчик; 2 - коннектор, соединенный с розеткой; 3 - ОК; 4 - соединительная муфта с организатором ОВ; 5 - волокна, соединенные путем сварки с КДЗС (комплектом деталей защи­ты сростков); 6- приемник; 7- аттенюатор, совмещенный с коннектором

 

С увеличением длины линии включают регенераторы для вос­становления ослабленного сигнала. Регенераторы также подсоеди­няют с помощью разъемных соединителей - коннекторов.

Для увеличения расстояния между регенераторами на его выходе ставят усилитель мощности, выполненный на примесном волокне.

Появляются дополнительные пассивные элементы в виде изо­ляторов, фильтров, разветвителей. При использовании технологии WDM применяются и фильтры, и циркуляторы, и изоляторы, муль­типлексоры и демультиплексоры.

Для компенсации дисперсии применяют широкополосные ком­пенсирующие волокна, а также выравнивающие усиле­ние фильтры.

Несомненно, основным пассивным элементом ВОЛС являются ОК, ОВ, оптические муфты с соединенными волокнами.

Наибольшее преимущество пассивных оптических элементов про­является в полностью оптических сетях, в которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции сигналов играют чисто оптические технологии. Такие сети способны обеспечить гиган­тскую полосу пропускания для реализации существующих и перс­пективных сетевых технологий на основе лазеров с перестраиваемой длиной волны, оптических волновых мультиплексоров, широкопо­лосных оптических усилителей и коммутаторов.

Элементы ветвления потока либо разделяют световой поток на несколько путей (направлений), либо, наоборот, соединяют несколько световых потоков в один путь (направление). Некоторые из этих устройств, которые выполняют эту функцию, называют разветвителями (couplers). Ниже перечислены различные типы таких устройств и кратко описаны выполняемые ими функции.

Комбайнер (combiner) — устройство, обычно имеющее один выходной порт и два или больше входных портов. Он может быть использован для осуществления как однонаправленных, так и двунаправленных операций.

Сплиттер (splitter) — устройство, имеющее обычно один входной порт и несколько выходных портов. Он может быть использован для двунаправленной передачи или для распределения потока на два или большее число устройств или конечных пользователей.

Оптические разветвители в зависимости от выполняемых фун­кций делятся на три основных группы:

— неселективные делители/изоляторы мощности — оптические разветвители и ответвители;

— спектрально-селективные делители/сумматоры оптических сиг­налов — волновые мультиплексоры/демультиплексоры;

— переключатели (коммутаторы) — управляемые внешним воздействием разветвители оптических сигналов.

Первая группа разветвителей применяется в сетях, использующих для передачи информации оптический сигнал только одной длины волны; волновые мультиплексоры — в сетях с оптическим уплотнением по дли­нам волн (WDM —Wavelength Division Multiplexing); оптические пере­ключатели — в сетях с коммутацией каналов.

Все разветвители могут быть представлены схемой многополюс­ника. В состав разветвителя входят входные и выходные волокна и распределительный функциональный элемент, в оптическом переклю­чателе — также устройство управления. Отличия между группами разветвителей, определяемые особенностями механизмов распределе­ния сигнала, выражаются в различной логике формирования матриц входных и выходных сигналов.

Основными оптическими параметрами разветвителей являются: матрица передачи; коэффициент передачи между портами; оптические вносимые потери; оптическое переходное затухание между каналами: на ближнем конце (коэффициент направленности или передачи в обратном направлении) и на дальнем конце (переходная помеха в прямом канале).

Важными параметрами разветвителей также являются: число пор­тов, габариты; надежность, механическая прочность; стабильность сохранения оптических параметров при изменении внешних условий.

Общими требованиями к разветвителям являются следующие:

— минимальные вносимые потери, чтобы не накладывать жестких ограничений на число разветвителей в сети;

— минимальный разброс мощности на выходных портах, чтобы не ухудшать условия обнаружения сигналов оптическими приемниками;

— максимальное переходное затухание, чтобы исключить мешаю­щее воздействие различных каналов друг на друга;

— независимость распределения мощности от модового состава и поляризации сигнала на входных портах, чтобы сохранять постоян­ство распределения мощности в процессе работы;

— легкость включения в сеть, чтобы обеспечить удобство приме­нения;

— хорошая технологическая воспроизводимость и низкая сто­имость, чтобы обеспечить конкурентоспособность оптических сетей.

Различают широкозонные и узкозонные разветвители WDM.

Широкозонные разветвители WDM предназначены для работы с двумя, тремя длинами волн при расстоянии между ними более 70 нм (1310, 1550, 1625 нм). Они используются для дистанционного контроля рабочих и резервных волокон ВОЛС.

Узкозонные разветвители WDM предназначены для мультиплек­сирования-демультиплексирования оптических сигналов с минималь­ным расстоянием между длинами волн 0,8 или 1,6 нм (до 70 нм), что позволяет обеспечить одновременную работу по одному волокну 32...64 ВОСП, например STМ-16 или STM-64(скорость передачи 2,48 и 9,93 Гбит/с соответственно).

В оптических коммутаторах применяется пространственное разде­ление каналов — направление информационного сигнала из одного канала в другой (или другие) с минимальным блокированием. Разли­чают механические, оптоэлектронные и оптические типы коммутато­ров. Наиболее перспективными являются два последних типа комму­таторов, в которых изменение направления оптического сигнала происходит не механическим переключением элементов переключе­ния а — при малом токе смещения; б — при токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристики; в — при больших токах смещения, а в результате изме­нения оптико-физических параметров неподвижной среды распрост­ранения излучения.

Технология изготовления разветвителей, особенно WDM и ком­мутаторов, достаточно сложна и дорогостояща. Ее совершенствова­ние связано с интегрально-оптической технологией изготовления ус­тройств на дифракционных решетках и связанных волноводах.

Древовидный разветвитель (tree coupler) — устройство, принимающее поток (сигнал) на один вход и распределяющее его несколько выходов и наоборот. Как правило оно используется для распределения сигнала от одного источника ко многим пользователям.

Звездообразный разветвитель (star coupler) — многопортовое устройство, имеющее, по крайней мере, два входных порта и два или более выходных портов. Оно может распределять или объединять сигналы с множества входных портов в один выходной порт, или принимать световой сигнал и распределять его на множество выходных портов.

Звездообразные разветвители имеют больше четырех портов. Существуют два типа таких разветвителей: звездообразный разветвитель передающего типа и звездообразный разветвитель отражающего типа. Звездообразный разветви­сь передающего типа показан на рисунке 7.10.

Рисунок 7.10 - Звездообразный разветвитель передающего типа

 

Световой поток, поступающий на один из входных портов звездообразного разветвителя передающего типа, разветвляется на все выходные порты равномерно. Например, на рисунке 7.10, свет, поступающий на входной порт Е, разветвляется на выходные порты G, H, I, J, К и L.

Широкополосный разветвитель (или же разветвитель, нечувствительный к длине волны) — устройство, работающее в двух окнах прозрачности: 1310 и 3 нм. Соответственно все аналогичные элементы ветвления должны иметь возможность работать в этих двух окнах. Другая желаемая особенность таких элементов ветвления — быть невосприимчивым к изменению рабочих длин волн внутри одного окна. Другими словами, вносимые потери должны быть одинаковы для любой длины волны в одном из окон.

Разветвитель доступа, или ответвитель (tap) — трех или четырехпортовое устройство ответвления для облегчения осуществления функций ввода-вывода обычно с малым уровнем оптической мощности. Его коэффициент ответвления в высшей степени неоднороден. Этот тип устройств может быть использован в гибридных (медь-волокно — HFC) кабельных сетях, для мони­торинга статуса линии и для мультиплексоров ввода вывода.

Мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны — устройства ветвления формально ничем не отличающиеся от разветвителей. Эти устройства распределяют световой сигнал в зависимости от длины волны. Мультиплексор используется для передачи нескольких световых сигналов (каждый на своей длине волны) по одному волокну. Демультиплексор принимает агрегированный световой сигнал, распространяющийся по одному волокну и разделяет его на несколько компонентов в зависимости от длины волны так, что каждая компонента направляется в отдельное волокно.

Функции, определяемые разветвителем:

Коэффициент разветвления. Коэффициент разветвления (coupling ratio), или коэффициент расщепления (splitting ratio), определяется как отношение оптической мощности, излучаемой одним выходным портом, к сумме опти­ческих мощностей, излучаемых всеми выходными портами. Коэффициент разветвления измеряется на определенной центральной длине волны. Многомодовые разветвители измеряются с равновесным модовым заполнением.

Центральная длина волны и полоса пропускания. Показатели всех развет-вителей меняются в зависимости от длины волны. Спецификация разветвителей обычно распространяется на все окно прозрачности или, в некоторых случаях, на несколько окон. Центральная длина волны является лишь но­минальной рабочей длиной волны разветвителя, тогда как полоса частот является диапазоном длин волн, в рамках которого эта спецификация га­рантируется.

Критерий выбора полосы пропускания, рекомендуемый компанией Telcordia, состоит в следующем.

Для не-WDM приложений, работающих в диапазонах 1310/1550 нм и сWDM-элементами ветвления, для всех цифровых приложений, кроме SONET с длинными секциями, должны выполняться следующие требования по ширине обоих рабочих полос в длинноволновой области:

1260 - 1360 нм и 1480 - 1580 нм

Для приложений WDM и SONET с длинными секциями рекомендуемые полосы следующие:

1280 - 1335 нм и 1525 - 1575 нм

Для DWDM рекомендуемые полосы следующие:

1285 - 1325 нм и 1530 - 1566 нм

Для гибридных систем, использующих модуляцию АМ-ЧПБП, реко­мендуемые полосы следующие:

1290 - 1330 нм и 1530 - 1570 нм

Следует заметить, что разработчики оптоволоконных элементов рекла­мируют в настоящее время различные устройства, частотный диапазон ко­торых простирается много дальше 1600 нм.

Типичные избыточные потери. Избыточные потери — это отношение опти­ческой мощности, поступающей на входной порт разветвителя, к общей мощ­ности на выходе любого выходного порта, выраженное в дБ. Типичные избы­точные потери — это ожидаемое значение избыточных потерь, измеренное на определенной центральной длине волны. Для многомодовых разветвителей измерения проводятся с равновесным модовым наполнением (EMF).

Избыточные вносимые потери. В оптическом волноводном разветвителе избыточные вносимые потери — это оптические потери, ассоциируемые с той порцией света, которая не излучается из номинально функционирую­щих портов данного устройства.

Однородность. Однородность является мерой того, насколько выходная
мощность равномерно распределена между выходными портами разветви­теля. Понятие однородности применяется к разветвителям с номинально равными коэффициентами разветвления и определяется как разность меж­ду максимальными и минимальными вносимыми потерями, оцененная на множестве всех выходных портов рассматриваемого разветвителя и выра­женная в дБ. Однородность задается типовым значением для полосы про­пускания в целом.

Однородность особенно важна для систем DWDM и АМ-ЧПБП.