Волоконно-оптические системы

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.

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.

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

|Тип ВОСП |Минимально|Защище|Большой  |Относит|Высокая | 
| |е |-нност|объем |е-льно |надежность| 
| |затухание,|ь |передаваем|низкая |и | 
| |максимальн|сигнал|ой |стоимос|стойкость | 
| |ая длина |ов |информации|ть |к внешним | 
| |РУ | | | |воздействи| 
| | | | | |ям | 
|С оптическими | | | | + | | 
|разветвителями | | | | | | 
|С оптическими | + | | | | | 
|циркуляторами | | | | | | 
|Со спектральным | | + | + | | | 
|разделением | | | | | | 
|С разделением по | | + | | | | 
|времени с | | | | | | 
|использованием | | | | | | 
|оптических | | | | | | 
|переключателей | | | | | | 
|С разделением по | + | + | | | | 
|времени с | | | | | | 
|использованием | | | | | | 
|оптических усилителей| | | | | | 
|С когерентным | | + | + | | | 
|излучением в одном | | | | | | 
|направлении и | | | | | | 
|модуляцией | | | | | | 
|интенсивности в | | | | | | 
|другом | | | | | | 
|С одним источником | | | | + | + | 
|излучения | | | | | | 
|С модовым разделением| | | + | | | 
|С когерентным | + | + | + | | | 
|излучением для обоих | | | | | | 
|направлений с разными| | | | | | 
|видами модуляции | | | | | |

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.

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.

[pic]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 ??’?2/hb

??’?/?x0, ??’?2/Nhb, ??’?/N?x0 b=??-?(d??/d?)

??’?1-?2, К=??h/?, (1.2) 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); ?1 и ?2- 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(???/?nj)(?nj/??) (1.3) где nj - 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 ??1,2/?nj = (nj/?1,2)(Pj/P?), где Pj -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 ?1, ?2 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 (?1, ... 
?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 
[pic]рис2.2 длинах волн (?1, ... ?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 
(?1, ... ?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 
?’??1h/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: