Оптические разветвители и их устройства

Оптические разветвители

Разветвители (ответвители) сигнала играют важную роль в, ВОЛС. Различают разветвители чувствительные (селективные) к длине волны и нечувствительные (неселективные). Первые применяются для объединения (или разъединения) сигналов с различными оптическими несущими и называются мультиплексорами (и демультиплексорами соответственно). Вторые используются для разветвления оптической мощности при наличии большого числа оконечных устройств в линии связи, подключения шины данных в ЭВМ, приема контрольного сигнала или сигнала обратной связи, предназначенного для управления мощности источника излучения.

Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексирование позволяет увеличить информационную емкость ВОЛС. Применяемые в линиях устройства для объединения сигналов с различными несущими длинами волн (мультиплексоры) и разъединения (демультиплексоры) должны иметь малые вносимые потери. Мультиплексоры должны, кроме того, обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре различных способа получения устройств связи . В основу работы устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта — угловая дисперсия, интерференция и поглощение. Демультиплексоры, используют угловую дисперсию решетки или призмы. Конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, структура поглощающего типа, используемая как демультиплексор. Каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода. Устройства с решеткой и призмой являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы с последовательным.

Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (светофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение.

Рисунок 3.1.0 - Принцип работы устройств связи, селективных к длине волны: а - с решёткой; б - с призмой; в - с интерференционным фильтром; г - с поглощающим фильтром; 1 - градиентная цилиндрическая линза; 2 - дифракционная решётка; 3 - хроматическии фильтр; 4 - призма; 5 - отражающее покрытие; 6 - селективные фотодетекторы

Наиболее широко используются устройства с интерференционным фильтром. Демультиплексоры такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. Их устройство подобно устройству торцевых делителей мощности, в разрезе передающего ВС которых вместо полупрозрачной пластины расположен фильтр, чувствительный к длине волны [7].

Параллельное разделение, возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотненных несущих в одном волоконном световоде (ВС).Параллельные детали представляют собой миниспектрометры. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решетку или призму), коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную щели (роль которых выполняют сердцевины излучающего и приемных ВС). Схемас призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность миниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в диапазоне длин волн 1,1 ... 1,6мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсияпризм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решеткой.

На рисунке 3.1.1 представлены зависимости вносимых потерьLi и переходного затуханияLa для полупроводникового лазера с шириной спектральной линии =2 нм и светодиода с =40 нм. Из рисунков видно, что с ростом уменьшается переходное затухание. Его можно увеличить, уменьшая плотность упаковки ВС (увеличивая параметрDf2a, где а — радиус сердцевины ВС). Однако при этом растут вносимые потери. Мультиплексоры и демультиплексоры с решетками мало пригодны для использования в ВОЛС, в которых источниками излучения являются светодиоды.

Примером устройства демультиплексора с решеткой является пятиканальный демультиплексор, изображенный на рисунке 3.1.2. Излучающий и пять приемных ВС объединены в линейку, расположенную в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8 мм, диаметр 14 мм).

Рисунок 3.1.1 - Зависимость вносимых потерь Li (штриховые кривые) и переходного затухания L, (сплошные кривые) от спектрального разделения каналов для полупроводникового лазера с шириной спектральной линии =2 нм (а) и све-тодиода =40 нм (б).

Примечание. Цифры на кривых показывают отношение пространственного разделения D/2a, где D — диаметр ВС, гa—диаметр сердцевины.

Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, диафрагмирует на решетке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или другой приемный ВС. Вместо объектива может использоваться фокусирующий (градиентный) стержень или прозрачная среда с оптическим элементом на поверхности. Дифракционную решетку изготовляют анизотропным травлением кристаллической подложки по кристаллическим осям сквозь предварительно нанесенную маску. Решетка имеет несимметричные канавки. Параметры решетки (постоянная решетка =4 мкм, угол в = 6,2°) выбраны так, чтобы ее максимальная дифракционная эффективность достигала