Мультиплексоры — демультиплексоры

Однако недостаточно иметь несколько десятков лазеров, генерирующих на различных длинах волн. Необходимо их излучение объединить и ввести в одно волокно, причем сделать это с минимальными потерями и перекрестными искажениями. Как уже отмечалось, первые мультиплексоры, рассчитанные на объединение излучения двух длин волн, были достаточно просты. Например, это может быть полупрозрачное зеркало, на которое нанесено покрытие эффективно отражающее излучение одной длины волны. Однако с увеличением количества суммируемых каналов конструкция мультиплексоров менялась. Наиболее простым примером мультиплексора/демультиплексора (МП/ДМП) является обычная треугольная призма. Все не раз наблюдали ее действие как демультиплексора при падении на одну из ее граней белого света. Радужный спектр, наблюдаемый на выходе другой грани, — это демультиплексированный световой поток. Призма — взаимное устройство (т.е. его свойства в обоих направлениях идентичны), и если направить на одну из ее граней всю гамму цветов спектра под теми же углами, на выходе другой грани получим белый свет — произойдет мультиплексирование. Но призмы не используются в системах DWDM. Их разрешающая способность мала, и если на основе призмы сделать мультиплексор с разрешением 0,8 нм, то получится устройство очень больших размеров. В системах DWDM используются приборы, основанные на других принципах.

Интерференционные фильтры

Рис. 9

Рис. 10

Они известны достаточно давно и широко используются в высококачественных объективах фотоаппаратов и других оптических приборах (Так называемое просветление оптики). Действие фильтров основано на явлении интерференции — взаимодействии волн. Если, например, две волны равны по частоте и когерентны (вот когда необходима монохроматичность и когерентность излучения лазера), то, при сложении в фазе, их амплитуда возрастает вдвое, а в противофазе — равна нулю. Интерференционный фильтр представляет собой несколько слоев прозрачного диэлектрика, толщина и коэффициенты отражения и преломления которых подбираются таким образом, чтобы при отражении от них условие сложения в фазе выполнялось только для излучения определенной длины волны. Принцип его действия иллюстрирует рис. 9, где изображена пластина из трех слоев, на которую падает поток излучения на четырех длинах волн — l1-l4. Коэффициенты отражения поверхностей пластин выбраны такими, что каждый из них имеет максимум только для определенной длины. А толщина слоев подбирается таким образом, чтобы падающая и отраженные волны на поверхность первой пластины падали в противофазе и взаимно уничтожались. И только излучение с длиной волны l4 проходит все слои практически без поглощения. Но для того, чтобы разделить несколько десятков оптических несущих, (рис. 9) необходима система фильтров. Оптическая схема прохождения излучения для этого случая показана на рис.10.

Дифракционные решетки

Брэгговская дифракционная решетка. Вторым типом спектрально-селективных элементов, используемых в системах DWDM, являются дифракционные решетки, чаще всего брэгговские дифракционные решетки. Вообще то, дифракция Брэгга — это дифракция на стоячей ультразвуковой волне, возбужденной в прозрачном твердом материале (рис.11). При этом в нем возникают чередующиеся максимумы и минимумы коэффициента преломления, которые могут играть роль дифракционной решетки. Период решетки пропорционален длине ультразвуковой волны, чем меньше длина волны, тем меньше период решетки, тем выше ее разрешающая способность, тем лучше она может разделить близко стоящие по длине вoлны. В дальнейшем брэгговскими стали называть решетки на основе структуры с периодически изменяющимся коэффициентом преломления, вне зависимости от того, каким путем эти изменения созданы. Это может быть участок материала специального состава, облученный, например, ультрафиолетовым излучением. Таким путем можно сформировать решетки со значительно меньшим периодом, нежели механическим путем (гравировкой) или путем химического травления через специальную маску.

Рис. 11

Величина угла  (угла дифракции) зависит от длины волны падающего излучения, и если на решетку направить световой поток излучения нескольких длин волн, то после прохождения решетки он разделится на отдельные составляющие, каждую из которых можно наблюдать под своим углом.

Выше было рассмотрено явление дифракции в случае, когда излучение падает нормально к плоскости решетки. Однако эффект спектральной селекции можно наблюдать и если излучение направить вдоль структуры с периодическим изменением показателя преломления (рис. 12).

Рис. 12

На границе сред с различным коэффициентом преломления всегда происходит отражение излучения. Подбирая шаг решетки в направлении распространения и материал среды, можно добиться или того, что только излучение с определенной длиной пройдет через решетку или же того, что только это излучение отразится от нее. (Фактически добиваются того, чтобы падающее и отраженное излучения со всеми другими длинами волн приходили к концу или началу решетки в противофазе). Рабочая полоса частот такого фильтра определяется длиной решетки. Поскольку и шаг и длина зависят от температуры материала, то необходимо принимать специальные меры для поддержания температуры решетки постоянной, помещая ее в термостат.

Волоконная брэгговская решетка может использоваться как оптический фильтр в устройствах мультиплексирования и демультиплексирования как компенсатор хроматической дисперсии или в комбинации с оптическими циркуляторами в мультиплексорах ввода/вывода каналов.

Для компенсации хроматической дисперсии в линейном волокне применяются брэгговские решетки с изменяющимся периодом

Рис. 13

Используя брэгговскую решетку и оптический циркулятор, можно сделать устройство ввода/вывода излучения одного канала в групповой поток (рис. 13).

(Оптический циркулятор — это невзаимное устройство, по-разному воздействующее на излучение, в зависимости от направления его распространения).

В мультиплексорах/демультиплексорах систем DWDM могут использоваться и обычные, привычные нам со школьных уроков физики, дифракционные решетки, только значительно более высокого качества. Они дороги в производстве, однако потери в них практически не зависят от числа каналов.