XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

This article focuses on WDM filters, their basic properties and physical principles. WDM filters can be built on Bragg gratings and on interferometers such as Fur-Zender and Fabry-Perot.

WDM-фи́льтр (WDM-ответвитель, от англ. WavelengthDivisionMultiplexing — спектральное уплотнение каналов) — устройство, предназначенное для разделения нескольких лучей с разной длиной волны (каналов), распространяющихся по одному оптическому волокну.

WDM-фильтр выполняет функции мультиплексирования (объединения) или демультиплексирования (выделения или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн (каналов) из нескольких ВС в один ВС или из одного ВС в несколько ВС. На передающей и приёмной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах объединения и выделения соответственно (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волоконному световоду.

Сам факт существования устройств WDM основан на свойстве ВС пропускать множество сигналов, которые распространяются по ВС, не взаимодействуя между собой.
Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов ХХ века. В основном это были широкополосные двухканальные системы с длинами волн 1310нм и 1550нм. В дальнейшем по мере всё большего освоения окна прозрачности 1550нм появляются прецизионные узкополосные WDM-устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне прозрачности 1550нм.
Это позволило строить на волокне протяжённые магистрали с множеством каналов. Катализатором прогресса становятся оптические усилители. Практически вся рабочая область длин волн (1530-1560нм), в которой усилитель имеет достаточно высокий коэффициент усиления и приемлемое отношение сигнал/шум, отводится в распоряжение систем спектрального уплотнения. Для построения многоканальных WDM-систем наряду с пассивными WDM-фильтрами также требуются узкополосные лазеры, стабильно выдерживающие нужную длину волны. Пока именно лазеры остаются наиболее дорогим элементом в таких системах. В настоящее время поставляются системы с числом каналов 4, 8 ,16, 32.

Приведена оценка роста требований на емкость/скорость передачи, показывающая, что емкость ВОСП возрастает в 4 раза каждые 18 месяцев. Из всех средств, имеющихся в нашем распоряжении, только оптоволокно 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 волнына уже имеющемся волокне или на новом проложенном волокне. Практически при каждом таком рассмотрении преимущество будет на стороне выбора технологии WDM, учитывая стоимость прокладки нового кабеля, особенно для длинных кабельных систем. Цель данной главы - познакомить читателя с WDM и возможностью ее применения.

На ранней стадии применения ВОСП каждая работающая жила оптоволокна 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.

Рис. 2. Концептуальная блок-схемадвухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали:1 = 1310 нм и2 = 1550 нм.

На рис. 2 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). Сплитгер, приведенный на правой стороне рис. 2, мог бы быть тем же самым устройством, использованном в обратном направлении. Оба порта этого сплиттера содержат сигналы 1 и 2.

В отечественной литературе термин Coupler традиционно переводят как разветвитель, полагая что его основная функция — разветвлять поток, тогда как в англоязычной литературе для этой цели используют по большей части Splitter, а за термином Coupler оставляют рольобъединителя, или

комбайнера.

Фильтры, на основе технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и позволяют пропустить энергию желаемого спектра сигнала. Технология тонких пленок рассматривается в разд. 8.6. Важность использования фильтров в операциях WDM трудно переоценить. Именно поэтому мы посвятили технологии фильтров три четверти главы.

Основы WDM-систем

Пара мультиплексор-демультиплексорявляется основой для системы WDM. Как показано на рис. 2, 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:демулътиплексоры на основе дифракции идемулътиплексоры 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 рис. 3. 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.

Рис. 3. Принцип действия дифракционной решетки с угловой дисперсией и фокусирующей линзой, используемой в качестве демультиплексора.

Необходимым элементом систем WDM является оптический усилитель типа EDFA. Достаточно высокий (20-25дБ) коэффициент усиления усили-

теля 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-Tразработала для этой полосы стандартизованную сетку частот с шагом между каналами 200/100/50 ГГц и возможностью его снижения до 25 ГГц. СеткаITU-Tформируется на основе уравнения:

F 193,1m 0,1(ТГц)

где 193,1 ТГц - опорная частота, а т — целое число, см. разд. 8.9.

Даже будучи ограничены полосой 1530-1565нм, можно ожидать к 2004 году размещения в системе DWDM 160 каналов, каждый из которых передает 40 Гбит/с.

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри—Перо (Ф—П) является устройством интерференционного типа, основанным на многократном отражении светового луча от двух поверхностей тонких пластин. Его принцип действия показан на рис. 4. Существует интерференционный максимум для каждой длины волны, который математически выражается так:

m 2dcos

где т — целое число, ad — расстояние между пластинами.

Интерферометр использует многократные отражения между двумя близко расположенными частично посеребренными поверхностями. Часть

света проходит, а часть отражается каждый раз, когда свет достигает второй поверхности, образуя в результате много смещенных лучей, которые могут интерферировать друг с другом. Большое количество интерферирующих лучей создает интерферометр с исключительно высоким разрешением. Это чемто напоминает множество щелей (шлицев) дифракционной решетки, которое увеличивает ее разрешение.

Рис. 4. Принцип действия интерферометра Фабри-Перо

Резонатор Фабри-Перо - устройство, полученное из интерферометраФ-П.Он представляет собой две параллельные пластины, отражающие свет вперед и назад.Степень дисперсности (тонкость структуры линий) является показателем того, как много волновых каналов могут одновременно пройти без серьезной интерференции между ними. Она является мерой энергии волн внутри резонансной полости относительно энергии, потерянной за цикл. Чем больше степень дисперсности, тем уже ширина резонансной линии. Степень дисперсности может рассматриваться как эквивалент понятия добротностиQ электрических фильтров.

На основе интерферометра Ф—Пможно создать прекрасный оптический фильтр. Настройка фильтра осуществляется путем изменения

длины зазора между двумя зеркалами. При более сложной конструкции интерферометра Ф—П,вся структура целиком помещается в пьезоэлектрическую камеру так, что указанная длина зазора может быть изменена электрически для настройки и выбора определенного канала. Преимуществафильтров Фабри—Перо в том, что они могут быть интегрированы в систему без возникновения потерь на стыковку. Число каналов ограничивается50-100,учитывая ограниченную степень дисперсности практического фильтраФ—П(F = 100 для 97% зеркала в тандеме, что увеличивает эффективную степень дисперсности доF ~ 1000). На рис. 5. приведена схема конструкции практического фильтраФ—П[4].

Рис. 5. Схема конструкции практического фильтра Ф-П

Фильтры Маха-Цендера

Интерферометр Маха—Цендера (М—Ц)можно сделать путем соединения двух выходных портов3-дБразветвителя к двум входным портам другого 3- дБ разветвителя, как показано на рис. 8.5. Первый разветвитель расщепляет оптический сигнал на два равных потока, где каждый поток приобретает различные фазы (когда длины ветвей разветвителя оказываются различны ми до того, как во втором разветвителе произойдет интерференция одного

расщепленного сигнала с другим).

Рис.6 Оптический интерферометр Маха—Цендера

Относительная фаза зависит от длины волны и коэффициента пропускания T ( ) , который тоже зависит от длины волны. Он может быть вычислен по формуле:

T (v) cos2 v m

(4)

где m — относительная задержка между двумя ветвями интерферометра М

— Ц, a v — частота. Цепочка каскадов таких интерферометровМ—Цс определенным образом настроенными задержками работает как оптический фильтр, который может быть настроен путем небольшой подстройки длин ветвей.

В работе сообщается, что общие методы, используемые для расчета относительной задержки m , реализуются так, что каждыйМ—Цкаскад последовательно блокирует альтернативные каналы. Эта схема требует, чтобыm 2m vch 1 , для шага между каналами, равногоvch .

Результирующий коэффициент передачи 10-каскадногофильтра имеет такую же избирательность, какая эквивалентна избирательности фильтраФ-П,имеющего степень дисперсности 1600. Эта каскадная схема способна выделять близко стоящие каналы. Каскадное включение интерферометровМ-Цдает проектировщику систем WDM еще одну заслуживающую внимания технологию.

Список литературы:

Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. — М.: Эко-Трендз, 2001. — 267 с. — ISBN 5-88405-023-2.

http://www.wikiwand.com/ru/WDM-фильтр

http://foos.sfedu.ru/glava3/3.6.html

https://studfiles.net/preview/4128888/page:27/

Код для цитирования: Скопировать