Оптоволоконные линии связи

1. Обзор существующих методов передачи на волоконно-оптических системах

передачи городских телефонных сетей.

1 Принципы построения и основные особенности ВОСП на ГТС

Особенностью соединительных линий (С.Л) является относительно небольшая

их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения

протяженности С.Л городской телефонной сети в крупнейших городах России

свидетельствует, что С.Л протяженностью до 6 км составляют 65% от всего

числа СЛ. Значительные расстояния между регенерационными пунктами ВОСП

дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах

телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания

(рис1.1).

РАТС РАТС

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-

оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. На передающей

стороне на излучатель, в качестве которого в ВОСП используется светодиод

или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал,

предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует

оптическое излучение, в результате чего электрический сигнал преобразуется

в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в

фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n или

лавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в

исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на

усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Внедрение ВОСП на местных сетях началось в 1986 г. вводом в

эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы

передачи на базе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих

городах сооружены линии связи. Аппаратура «Соната-2» сопрягается со

стандартным канало - и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-

120. В 1990 г. начат промышленный выпуск оборудования вторичной цифровой

системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для

передачи по градиентному оптическому кабелю (О.К.) линейного тракта,

работающего на длинах волн 0,85 или 1,3 мкм. Разработана ВОСП «Сопка-Г»,

предназначенная для организации оптического линейного тракта со скоростью

передачи 34,368 Мбит/с по одномодовому и градиентному оптическому кабелю,

с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура «Сопка-Г» выполнена в

конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системе технического

обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСП для

городской сети.

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного

тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ

установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия

аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность

иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при

котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых

сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую

предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д.

системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем.

Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи

для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных

каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с

(120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264

Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно

говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых

сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам

ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется

аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой

аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть

преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для

того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала

(рис.1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне

зависимости от статистических свойств источника информации.

Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы

передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка,

например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMI и т.д.

Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры

временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка.

Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте.

Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет

преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается

цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего

оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи

строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического

линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

1 Линейные коды ВОСП на ГТС

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные

компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают

ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в

линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП

помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи

сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность

модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой

оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования

двухуровневых кодов.

Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь

минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ)

компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части.

Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от

информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не

искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь

низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра

подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед

решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного

устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что

усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для

уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая

мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей

температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной

обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том

случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе

в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти

изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о

тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация

используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания,

необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве.

Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в

цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с

точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы

выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в

энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен каких-либо ограничений на передаваемое

сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности

нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления

ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является

частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением

среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу.

Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии.

Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью,

тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы

контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние

простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость

оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной

сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода

используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований.

Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и

возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью

узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип

построения представлен на рис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое

слово 11, символ –1 –в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 4

видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что

свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых

импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это

позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами.

Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух –

трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных

сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а

также нарушение чередований 11 и 00.

2 Источники излучения ВОСП

Источники излучения волоконно-оптических систем передачи должны

обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных

типов модуляции излучения, иметь малые габариты и стоимость, большой срок

службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с

максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные

лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат,

активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у

которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны

1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в

одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа

источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем

устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник

не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-

оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в

качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые

светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые

габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в

интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников

излучения характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было

внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод,

работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. В течение

последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики,

работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение

передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм.

Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических

передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам,

в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения.

Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения

сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили

безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832

Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года

ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на

скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

3 Детекторы ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к

преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило,

подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный

для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого

оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать

требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью.

Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного

соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не

чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие

фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям.

Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических

системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные

фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с

оптическими волокнами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность

(может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет

использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при

использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения

источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент

лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно

зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды

успешно применяются в ряде современных ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-

480/5, «Соната».

4 Оптические кабели ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации,

содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического

диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6

мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно

расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами

волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько

оптических волокон. Оптическое волокно (ОВ) – это направляющая система для

электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют

только оптоволокна, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла

или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси оптоволокна

используется явление преломления и полного отражения в волокне с

показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо

скачками. Оптическое волокно (ОВ) изготавливается обычно с внешним

диаметром 100 – 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое

волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с

показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая

чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое

имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости

и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0.5 – 1.5%

оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном

микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются

при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна

быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические

характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство,

столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические

его параметры.

Передача излучения по любому ОВ может осуществляться в двух режимах:

одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором

распространяется только одна основная мода

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в ОВ устанавливается

многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от

характеристик оптического волокна (а именно радиуса сердцевины и величины

показателей преломления) и длины волны передаваемого излучения. Оптические

волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют

одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового

режима называют многомодовыми.

,где ? - длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 – показатели

преломления материалов ОВ.

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

| |РУ | | | |воздействи|

| | | | | |ям |

|С оптическими | | | | + | |

|С оптическими | + | | | | |

|Со спектральным | | + | + | | |

|С разделением по | | + | | | |

|С разделением по | + | + | | | |

|С когерентным | | + | + | | |

|С одним источником | | | | + | + |

|С модовым разделением| | | + | | |

|С когерентным | + | + | + | | |

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:

?’?TE?L/2+?TM?L/2/K -

- для падающей ТE моды,

?’?TM?L/2+?TE?L/2/K -

- для падающей ТM моды,

где ?TE и ?TM - эффективные показатели преломления волноводов для ТЕ и ТМ

мод соответственно. Как видим, зависимость от поляризации полностью

компенсируется с помощью этого метода. Данный метод отличается тем, что

для исключения зависимости от поляризации нет необходимости в уменьшении

двулучепреломления волноводов. В случае ВСМ/Д на основе волноводов из

SiO2/Si используется кварцевая пластина, так как ее показатель преломления

близок к показателям преломления волноводов.

Следует отметить также метод исключения поляризационной зависимости с

помощью осаждения аморфной кварцевой пленки на волновод. Пленка имеет

остаточную деформацию и компенсирует волноводное двулучепреломление.

Преимущество этого метода состоит в том, что при его использовании

избыточные потери вследствие введения пленочной волноводной вставки могут

быть уменьшены до 0.4 дБ. Таким образом, предлагаемые методы могут

обеспечить практическую реализацию ВСМ/Д с поляризационной независимостью

и низкими вводимыми потерями.

2 Реализация ВСМ/Д.

Исходя из перспектив использования ВСМ применительно к связи особую

значимость приобретают такие характеристики, как затухание оптических

сигналов в процессе прохождения через мультиплексор, максимальное

количество каналов, плоскость амплитудно-частотной характеристики

мультиплексора по каналам во всей полосе длин волн (частот) мультиплексора

и в пределах отдельного канала, перекрестные помехи, независимость от

поляризации и, наконец, стоимость устройства. Рассмотрим некоторые

варианты реализации ВСМ.

Волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры (ВСМ/Д) на

SiO2. Важное значение для использования мультиплексоров имеют потери в

устройствах, которые включают потери в прямолинейных волноводах, на

изгибах, в звездных соединителях, при стыковке планарных волноводов с

канальными волноводами и с волоконными световодами. Объединяя все потери,

принято иметь в виду потери "на кристалле", т.е. в волноводной схеме, и

потери при передаче волокно-волокно. В последнем случае включаются потери

на стыковку входного ВС с планарным волноводом звездного соединителя и

потери при вводе излучения из второго звездного соединителя в выходные ВС

(см. рис. 2.2).

Потери в волноводах и при изгибе канальных волноводов можно свести к

минимуму путем выбора соответствующих материалов волноводов, их параметров

и достаточно большого радиуса кривизны. Потери при соединении канальных

волноводов с планарными волноводами звездных соединителей могут быть

значительными. Для их уменьшения предложено использовать рупоры,

сужающиеся волноводы, изменять расстояния между выходными концами

канальных волноводов и т. п. Для волноводной системы SiO2/Si потери при

передаче волокно - волокно составили 2,3 ... 2,8 дБ. При этом потери на

кристалле соответствуют 1,7 дБ.

Систематическое изучение потерь в ВСМ было проведено с помощью

программы, учитывающей распространение излучения в трехмерном

пространстве. В частности, было изучено влияние различных параметров [pic]

канальных волноводов (толщина пластины, ширина волновода, высота гребня и

др.) на потери при передаче мощности из канальных волноводов в область

звездного соединителя. Область перехода канальных волноводов к звездному

соединителю и их поперечное сечение показаны на рис. 2.3, 2.4.

Поля в этих волноводах могут быть связаны с полем на другой стороне

звездного соединителя с помощью преобразования Фурье. Поскольку все каналы

фокусируются в точке на другой стороне звездного соединителя и поскольку

каналы образуют периодическую матрицу, нужно только смоделировать поле,

исходящее из отдельного канала. Поля, которые образуются в результате

возбуждения другими каналами, получаются путем суперпозиции. При

вычислении полей рассматривается распространение света от одиночного

волноводного канала до конца матрицы, затем вычисляется перекрытие полей с

модами волноведущей пластины, чтобы определить поля, принимаемые с помощью

звездного соединителя, и после этого производится быстрое преобразование

Фурье. В результате получается поле на другом конце звездного соединителя.

Изучение потерь показало, что для получения максимального коэффициента

передачи через звездный соединитель следует использовать толстые

волноводные слои, малую разность показателей преломления волноводного слоя

и подложки, короткие гребневые волноводы и большие факторы заполнения

(w/a). Для ВСМ (WGR -Waveguide Grating Router), показанного на рис. 2.4 и

имеющего оптимальные параметры волноводов (толщина волноведущей пластины t

= 0,5 мкм, высота h и ширина w гребня равны соответственно 4 и 7 мкм,

расстояние между центрами каналов а = 9 мкм, относительная разность

показателей преломления ?n/n = 0,67 % при nподл = 1,4457), потери на

кристалле могут быть меньше 0,2 дБ.

Уменьшение потерь при распространении сигналов в значительной степени

зависит от правильного выбора формы траекторий оптических каналов. Путь

решения проблемы минимизации потерь состоит в использовании семейства

полиномиальных Р- и WP-кривых (рис.2.5),

[pic]рис2.5

обеспечивающих соединение заданных начальных и конечных точек кривыми с

непрерывно изменяющейся кривизной, и оптимизируют прохождение излучения по

траекториям с минимальными потерями. Таким образом, минимальные размеры

устройства определяются заданным уровнем потерь. Расчеты выполняются с

помощью простого алгоритма на компьютере типа PC. С помощью предложенной

методики был рассчитан и реализован мультиплексор на основе волноводного

слоя Si02, нанесенного путем эпитаксиального осаждения из газовой фазы на

кремниевую подложку. Параметры изготовленного мультиплексора приведены

ниже:

Рабочая длина волны 1,55 мкм

Показатель преломления подложки 1,469

Разность показателей преломления 1,5 х 10-2

Размеры канала (ширина, полная высота,

протравленная высота) 6,5 х 4,5 х 2,5

мкм3

Число входных/выходных каналов 16/16

Спектральное разрешение 1,6 им (200 ГГц)

Спектральная область 25,6 нм

Число каналов 60

Длина дисперсионного элемента 6.1 мм

Расстояние между каналами

на входе звездного соединителя 20 мкм

Порядок интерференции 60

Разность длин оптического пути

двух соседних каналов 63.1 мкм

Площадь устройства 4,2 х 1,7 см2

Измеренные потери при передаче волокно - волокно составили 5±2 дБ,

средний спектральный интервал между каналами - 199.5 ГГц, средняя ширина

полосы каналов по уровню половины интенсивности - 44 ГГц. В пределах

ширины полосы канала перекрестные помехи соответствовали 35 дБ.

В результате взаимного влияния каналов возникают аберрации. Для их

уменьшения может быть использована корректирующая схема, которая

оптимизирует положения фокусов звездных соединителей и длины каналов

диспергирующей системы так, чтобы обеспечить более точное выполнение

преобразования Фурье в звездных соединителях. Такой в мультиплексор может

работать как N х N переключатель. Если к входам мультиплексора

подсоединить N лазеров, каждый из которых перестраивается в пределах N

длин волн, то любой из лазеров может быть соединен с любым выходным

каналом.

Наряду с гребенчатыми волноводами в мультиплексорах используются

заращенные или закрытые покровным слоем волноводы. В этих случаях

применяются волноводы с сердцевиной, повышенный показатель преломления

которой обеспечивается путем введения легирующих примесей, использования

композиционных волноводов и др. Сердцевина канальных волноводов обычно

имеет площадь 25...50 мкм2 и разность показателей преломления доли

процента от n. Это обеспечивает малые потери при распространении излучения

по волноводам (0,05...0,1 дБ/см) и при стыковке волноводов с волоконными

световодами (~0,1 дБ).

Таблица 2.1 Экспериментальные и теоретические характеристики

мультиплексоров

|Параметры |Экспериментальные и теоретические* |

| |результаты |

|Центральная длина |1,5476 |1,5521 |1,5498 |1,5496 |

|волны ?0 (заданная |(1,548) |(1,552) |(1,550) |(1,550) |

|Спектральное |15 |2 |0,8 (100 |0,4 (50 |

|разделение каналов | | |гГц) |гГц) |

|??, нм | | | | |

|Число каналов |8 |16 |32 |64 |

|Разность длины пути |12,8 |50,3 |63 |63 |

|Фокус звездного |2.38 |5,68 |11,35 |24.2 |

|Порядок дифракции m |12 |47 |59 |59 |

|диспергирующей |30 |60 |100 |160 |

|Потери на кристалле |2,4 |2,3 |2,1 |3,1 |

|Ширина полосы на |6,3 нм |0,74 нм |40 ГГц (37|19 ГГц (21|

|уровне 3 дБ |(6,3 нм) |(0,75 нм) |ГГц) |ГГц) |

|Перекрестные помехи, |Т1

ФД

МОД

УС-1

УС-2

СТК

ПОМ

ПК

ОП

ОВ-2

ОВ-1

Вход

Выход

Рис.4.6

- Структурная схема оптического передатчика

Вход

Выход

ПК

РУ

ЛК

УС

ФД

ВТЧ

ОПр

Рис.4.7

- Структурная схема оптического приемника.

[pic]

ОП

ОПр

УС

УССЛК

ОР

ОУ

ОПр

ОП

УС

УССЛК

Рисунок 5.1 – Устройства оптического переключения

ПК

УМ

ЛГ

РС

УОРС

ОП

ПК

ФД

ЛК

РУ

ПК

ОПр

Вход

Выход

ВТЧ

Рисунок 5.2 – ВОСП с модуляцией по интенсивности

[pic]

ПК

ЛГ

СЧУЛ

РС

УОРС

КОП-АМ

Вход

УМ

УПЧ

ОС

РС

ФД

МЛГ

АПЧ

ДМ

ВТЧ

РУ

ПК

КОПр-ЧМ

Выход

Рисунок 5.3 – ВОСП с когерентными методами передачи и приёма

УМ

ЛГ

РС

УОРС

ОП

Вход

ПК

ГОС

РС

ФД

КДМ

РУ

ВТЧ

ОПр

Выход

ПК

ЛК

Рисунок 5.4 – ВОСП с модуляцией по интенсивности ортогональными

электрическими сигналами

[pic]

ОП

Вход1

РС

УОРС

ОПр

РС

УОРС

РС

МОИ

УСМ

ОР

РС

ОПр

РС

ПК

Выход1

Вход2

Выход2

Рисунок 5.5 – ВОСП с одним источником излучения

[pic]

СТС

Рисунок 5.6 - Структурная схема оптического передатчика

+Еп

УСМ

МОД

ПК

ПКУ

ОКУ

УC

УОС

ЛГ

СУ

Вход

Выход

HDB

CMI

Рисунок 6.1 – Упрощенная схема оптического передающего устройства

Опт. выход

ОР

Rф1

Rфд

Rб”

Rб’

Сэ

Rэ”

+Еп

Rэ’

Вход

Сф1

К175ДА1

СУС

МОД

АРУ

Сф

Rф

[pic]

Рисунок 6.4 – Принципиальная схема оптического модулятора

Сэ

0.2мк

Rб’

5.6к

Сф

0.02 мк

+12В

Вход

идл 5с-1300

КТ660Б

Rб”

1.8к

Rэ

Ср

Rф

Rк

[pic]