Оптические изоляторы. Принцип работы и способ применения в ВОСП.

Оптические изоляторы.

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В ре­зультате такого отражения часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазе­ра, способен индуцировано усиливаться, приводя к паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства, оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного по­тока основан на использовании оптических изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направле­нии с большим затуханием.

Вращение плоскости поляризации

В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея - вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнит­ного поля.

Угол поворота плоскости поляризации равен q = VB_Zd, где V - постоянная Верде (Verdet) - удельное магнитное вращение, зависящая от природы вещества, температуры и длины волны света, В_Z - продольная составляющая индукции магнитного поля, d - длина пути света в веществе - размер ячейки Фарадея. Направление вращения зависит только от природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловле­но возникновением асимметрии оптических свойств вещества под действием магнитного по­ля.

Зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света называется вра­щательной дисперсией. В первом приближении в области достаточно малых длин волн, уда­ленных от полос поглощения света веществом, угол вращения плоскости поляризации зави­сит от длины волны света l по закону Био: q~ l^-2.

Принцип действия оптического изолятора

Оптический изолятор состоит из трех элементов:

-поляризатора 1 (входного поляризато­ра),

-Ячейки Фарадея 2,

-Анализатора 3 (выходного поляризатора). Параметры ячей­ки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, развора­чивалась на 45°. Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.

Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую, рис. 3.17 а. Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плос­кость поляризации на 45° и беспрепятственно проходит через анализатор 3.

При распространении света в обратном направлении (рис. 3.17 б) он также поляризует­ся в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизон­тально поляризованным. Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90°, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.

Технические параметры

Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~ 1-2 дБ) и высокая изоляция (потери при распро­странении обратного сигнала) в обратном направлении (>30 дБ). Кроме того, должны обес­печиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры. В диапазоне длин волн 1,3-1,55 мкм магнитооптическим мате­риалом, используемом в ячейке Фарадея, является Y₃ Fe₃ O₁₂. На длине волны 0,85 мкм ис­пользуется парамагнитное стекло.

Схема оптического изолятора: а) полезный сигнал в прямом направле­нии проходит свободно; б) сигнал в обратном направлении по­глощается поляризатором; в) вид оптического изолятора (справа) рядом с лазерным диодом.

Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль. Высокая эффективность такого решения связана с тем, что выходной оптический сигнал от лазерного светодиода имеет эллиптическую поляризацию. Оптический изолятор устанавливается так, чтобы плоскость поляризации анализатора 1 совпадала с плоскостью поляризации макси­мальной составляющей выходного сигнала от лазерного светодиода.

Оптические изоляторы также являются неотъемлемой частью оптических усилителей на примесном волокне. В этом случае устанавливается пара оптических изоляторов - один на входе, другой на выходе оптического усилителя. Поскольку оптические усилители, как прави­ло, осуществляют усиление мультиплексного оптического сигнала, то необходимо, чтобы оп­тические изоляторы имели высокие характеристики во всем диапазоне длин волн, представленных в оптическом сигнале. Для этой цели используются специальные широкозонные опти­ческие изоляторы.

Технология WDM.

Устройство волнового (спектрального) уплотнения WDM - WDM фильтр - выполняет функции мультиплексирования MUX (объединения) или демультиплексирования DEMUX (вы­деления или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн - каналов - в одно волокно из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. На передающей и прием­ной сторонах могут устанавливаться однотипные устройства, но работающие в режимах MUX и DEMUX соответственно. Сам факт существования устройств WDM основан на свойстве во­локна пропускать множество каналов, которые распространяются по волокну, не взаимодей­ствуя между собой, рис. 3.14.

Первые устройства WDM появились в начале 90-х годов. В основном это были широко­зонные двухканальные системы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм. В дальнейшем по мере все большего освоения окна 1550 нм появляются прецизионные узкозонные WDM устройства с мультиплексируемыми длинами волн, полностью лежащими в окне 1550 нм. Это позволяет строить протяженные магистрали с множеством каналов на волокно. Катализатором прогрес­са становятся оптические усилители EDFA. Практически вся рабочая область длин волн (pass-band), в которой усилитель EDFA имеет достаточно высокий коэффициент усиления и прием­лемое отношение сигнал/шум (1530-1560 нм), отводится в распоряжение систем волнового уплотнения. Термин DWDM (dense wavelength division multiplexer) - плотное волновое мульти­плексирование - используется по отношению к WDM устройствам с расстоянием между со­седними каналами 1,6 нм и менее. 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, несколько сдерживая их развитие. В настоящее время поставляются системы с числом каналов 4, 8 и 16. Предполагается рост числа мультиплексных каналов до 32.

Технология WDM.

Терминология одинаково применима ко всем WDM устройствам. Поэтому начнем обсу­ждение с простейшего двухканального мультиплексора. Наряду с функцией объединения (рис. 3.15 а) устройства WDM также могут выполнять обратную функцию (функцию демульти­плексирования) - выделения сигналов разных длин волн из волокна, рис. 3,15 б. Большинст­во производимых WDM устройств совмещают режимы мультиплексирования и демультиплек­сирования в одном устройстве. Такие устройства могут также использоваться для мультип­лексирования и демультиплексирования двунаправленных потоков, рис. 3.15 в.

В идеале сигнал l₁, поступающий на полюс 1 (рис. 3.15 а), должен полностью прохо­дить в общий выходной полюс 3 (common). На практике, однако, доля сигнала на длине волны l₁ ответвляется и проходит через полюс 2. Аналогично, применительно к рис. 3.15 б, идеаль­ным было бы, если все 100% входной мощности сигнала l₁, проходили через полюс 1 и на­оборот. И здесь такой эффективности демультиплексирования для любого из существующих WDM устройств достичь невозможно. Для оценки этих паразитных явлений используют поня­тие переходные помехи.

Переходные помехи показывают, насколько эффективна работа WDM устройства. Они состоят из ближних и дальних переходных помех. Ближние переходные помехи NEXT (near-end crosstalk или directivity) аналогичны коэффициенту направленности и определяются как доля мощности, регистрируемая на длине волны l₁, на полюсе 2, соответствующем длине волны l₂, при условии, что сигнал на длине волны l₁, подается на полюс 1 (рис. 3.15 а).

Дальние переходные помехи FEXT (far-end crosstalk, также называют isolation) являются мерой изоляции между выходными полюсами по сигналам разных длин волн. Так, если сигнал поступает на длине волны l₁, на полюс 3 (common), (рис. 3.15 б), то для него FEXT - это доля мощ­ности, регистрируемая на длине волны l₁, на полюсе 2, соответствующем длине волны l₂ мультиплексирования/ демультип­лексирования может иметь n входных/выходных полюсов 1, 2,..., n, которым соответствуют длины волн l₁, l₂, …, l_n, один общий выходной/входной полюс (com) соответственно, рис. 3.15 в. Будем обозначать такой модуль 1:n.

Введем следующие обозначения -

для мультиплексора:

P_i(l_k) - входной сигнал на длине волны l_k, поступающий на полюс i;

Р_i,j(l_k) - выходной сигнал на длине волны l_k, регистрируемый на входном полюсе j, при условии, что входной сигнал на длине волны l_k поступает на полюс i (i¹j);

P_ii(l_k) - обратное рассеяние сигнала на длине волны l_k, поступающего на полюс i;

P_i,com(l_k) - выходной сигнал на длине волны l_k, регистрируемый на сот-полюсе, при усло­вии, что входной сигнал на длине волны l_k поступает на полюс i;

для демультиплексора:

P_com(l_k) - годной сигнал на длине волны l_k , поступающий на сот-полюс;

P_com,j(l_k) - выходной сигнал на длине волны l_k, регистрируемый на выходном полюсе j, при условии, что входной сигнал на длине волны l_k поступает на сот-полюс (j¹k);

В общем случае WDM модуль при работе в режиме

P_com,com(l_k) - обратное рассеяние сигнала на длине волны l_k, поступающего на сот-полюс;

P_com,k(l_k) - выходной сигнал на длине волны l_k, регистрируемый на выходном полюсе k (собственном), при условии, что входной сигнал на длине волны l_k поступает на сот-полюс.

Коэффициенты ближних b_NEXT, дальних b_FEXT переходных помех, а также коэффициен­ты обратного рассеяния на ближнем и дальнем концах b_NE и b_FE определяются соотноше­ниями:

Коэффициенты передачи на ближнем a_NE и дальнем а_FE концах определяются соотно­шениями:

В общем случае WDM модуль 1:n можно описать набором из n матриц переходных ко­эффициентов (по одной матрице на каждую длину волны), где каждая матрица имеет размер­ность (n + 1)х(n +1).

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: