Оптичні фільтри, мультиплексори та демультиплексори та інші спеціалізовані компоненти

Оптичні фільтри, мультиплексори та демультиплексори. Оптична фільтрація забезпечується різними пристроями мультиплексування/демультиплексування: фазованими хвилеводними решітками, волоконно-оптичними дифракційними решітками Брега, тонкоплівочними діелектричними інтерференційними фільтрами, резонаторами FP і т. ін.

Фільтри на фазованих хвилеводних решітках звичайно складаються з вирощеного на кремнієвій підкладці тонкого кварцового шару, у якому витравлені хвилеводи з різними довжинами світлового шляху (рис. 13).

Рис. 13. Фільтр (демультиплексор) на фазованій хвилеводній решітці

Пристрій працює за принципом дифракційної решітки, що здійснює просторовий розподіл спектральних каналів між вихідними портами. Подібні фільтри мають до 32 каналів у діапазоні довжин хвиль 1500...1600 нм і забезпечують міжканальні інтервали 0,4 (50 ГГц), 0,8 (100 ГГц) і 1,6 (200 ГГц) нм. Внесені втрати для кожного каналу можуть складати від 6 до 9 дБ. Завади від сусідніх каналів менш –30 дБ. Фільтри на фазованих хвильоводних решітках можуть використовуватися як мультиплексори та демультиплексори багатохвильових сигналів.

Волоконно-оптичні дифракційні решітки Брега являють собою відрізок скловолокна, у серцевині якого виготовлена дифракційна решітка Брега, що працює як спектральний фільтр (рис. 14). На рис. 15 представлена схема оптичного демультиплексора на основі бреговської решітки, налаштованої на хвилю λ_3.

Рис. 14. Волоконний фільтр Брега

Такі пристрої легко зрощуються з іншими волоконно-оптичними компонентами, характеризуються малими внесеними втратами. Однак волоконно-оптичні решітки є 2-портовими пристроями та на практиці повинні поєднуватися з оптичними циркуляторами та відгалужувачами, що призводить до додаткових втрат.

Рис. 15. Волоконний демультиплексор на решітці Брега

Таблиця 3

Характеристики оптичних фільтрів

Тип оптичного фільтра	Втрати, що вносяться, дБ	Інтервал між каналами, нм при взаємних впливах, дБ	Ширина смуги пропускання за рівнем -3 дБ	Діапазон налаштовування	Швидкість налаштовування	Механізм налаштовування
Фабри – Перо		2/30	<0,5		4 мс	Пьезоелектричний
Рідинний кристал		2/30	<0,5		1 мкс	Орієнтація кристала
Маха – Зендера		0,4/22	<0,2		50 нс	Електрооптичний
Бреговська решітка	0,1	1,6/22	<0,2		2 мс	Температурне подовження
AWG, хвилеводна решітка		0,8/22	<0,2		10 мс	Термооптичний

Тонкоплівкові діелектричні інтерференційні фільтри прийнято вважати одним з перспективних шляхів реалізації фільтрації в оптичних системах. Ці фільтри являють собою набір пластин з багатошаровим покриттям. Товщина кожного шару складає від 0,025 до 0,5 λ. Вони були першими стандартизовані в промисловості та застосовуються в системах передачі з 80-х років ХХ-го сторіччя. Вони забезпечують розподіл (об’єднання) від 2 до 4 λ с інтервалами між каналами не менш 20 нм. Однак, ряд робіт, проведених Американською оптичною асоціацією, показали можливість зменшення міжканальної відстані до 0,8 нм (100 ГГц). З’єднання тонкоплівкових фільтрів з резонаторами Фабри – Перо (FP) дозволяє будувати багатоканальні мультиплексори з числом розподілених хвиль до 32 і більш. Приклади характеристик деяких типів оптичних фільтрів приведені в табл. 3.

Оптичні циркулятори будуються на основі ефекту Фарадея. При цьому циркулятор має 3 або 4 порти (рис. 16) і виконані волоконно-оптичними пристроями. Розподіл випромінювання між портами визначається напрямком поширення. У 3-портовому циркуляторі випромінювання, що входить у порт 1, проходить до порту 2; випромінювання, введене в порт 3, не проходить у порт 2. Аналогічно працює 4-портовий циркулятор. Внесені втрати циркулятора – близько 1,2 дБ, гарантована ізоляція портів – більш 40 дБ.

Рис. 16. Схеми оптичних циркуляторів

Компенсатори дисперсії. Дисперсія виступає фактором обмеження швидкості передачі оптичних імпульсних сигналів в ОМ ОВ. Особливо помітно це обмеження на швидкостях 10 Гбіт і вище. Наприклад, при швидкості 2,5 Гбіт/с сигнал може бути переданий на відстань до 1000 км без видимих перекручувань на λ=1,3 мкм у стандартному волокні G.652. Вже при швидкості 10 Гбіт/с дальність передачі не перевищить 60 км у цьому ж волокні, а при швидкості в 20 Гбіт/с вона буде тільки 15 км. Керування дисперсією є важливою частиною проектування лінійних трактів. При цьому необхідно зменшити вплив як хроматичної, так й поляризаційної модової дисперсії.

При побудові компенсаторів дисперсії використовуються методи створення волокон, що компенсують дисперсію, і дифракційні решітки, наприклад, інтегральні та волоконні решітки Брега з лінійною зміною постійних решіток. Приклад використання волоконних решіток Брега в компенсаторі дисперсії приведений на рис. 17.

Волоконні компенсатори хроматичної дисперсії виконуються з волокна з протилежною за характером дисперсією, тобто для ОВ з дисперсією D+ на заданій хвилі або в діапазоні хвиль пропонується використовувати відрізок ОВ з дисперсією D-. При цьому відрізок волокна з D- по довжині істотно менше лінійного волокна з D+. Волокна для компенсації дисперсії укладають у невеликі котушки, легко розташовувані в піддонах апаратури або у вигляді модулів апаратури ВОСП. Відрізки волокон з D- відповідають довжинам компенсації 20, 40,... 100 км. Внесені додаткові втрати можуть скласти до 8 дБ. Приклад конструкції модуля компенсації дисперсії приведений на рис. 18.

Крім волоконних компенсаторів дисперсії в складі блоків застосовуються компенсатори на хвилеводних решітках, що перебудовуються, які відрізняються малими габаритами, малими втратами оптичної потужності та великим діапазоном перебудови. До таких компенсаторів відноситься TODC (Tunable Optical Dispersion Compensator) компанії CIVCOM. Цей пристрій має діапазон перебудови ±1700 пс/нм, а в реалізації для транспондера: ±2500 пс/нм, втрати потужності не більш 1 дБ, робоча смуга хвиль 1528-1610 нм. Керування перебудовою – електричне. Прилад може використовуватися для ліній однохвильової і багато хвильової передачі з інтервалом між каналами 50 ГГц і швидкістю передачі в кожному каналі до 10 Гбіт/с. Конструкція TODC приведена на рис. 19. Габарити приладу 30x12,7x9,75мм.

Рис. 17. Компенсатор дисперсії на основі волоконної бреговської решітки Рис. 19. Конструкція компактного компенсатора хроматичної дисперсії TODC

Рис. 18. Конструктив модуля компенсації дисперсії волокна SMF (G.652) у діапазоні хвиль 1525-1565 нм у межах –(50....2100) пс/нм для довгих і наддовгих оптичних ліній   Рис. 20. Схема перетворення хвилі в конверторі

Перетворювачі довжин хвиль. Для створення цілком оптичних мереж необхідні перетворення довжин хвиль оптичних сигналів, що переносять інформацію. Це перетворення можна здійснити в системі «оптика – електроніка – оптика», відомої як транспондер. Однак, цей пристрій дуже дорогий і складний. Тому одержали розвиток інші методи перетворення без «посередництва» електроніки.

Один з методів хвильової конверсії без оптоелектронного перетворення заснований на використанні феро-електричного кристала, усередині якого створюється періодична структура зі зміною напрямків, що чергується, поляризації для нелінійної оптичної взаємодії 2-х частот (сигналу та накачування). При одночасному поширенні вхідного сигналу та сигналу від лазера накачування відбувається генерація хвилі, що є різницею між хвилями накачування та сигналу (рис. 20).

У процесі перетворення формується різницева частота:

, де n – порядок не лінійності (1)

Як нелінійне середовище може використовуватися відрізок скловолокна з нульовою зміщеною дисперсією (DSF) довжиною 2 км. При цьому повинна бути забезпечене накачування на довжині хвилі, що відповідає виразу:

. (2)

Ефект перетворення довжини хвилі може бути отриманий й в напівпровідниковому оптичному підсилювачі.

Оптичні комутатори та маршрутизатори. Оптична комутація та маршрутизація можуть бути реалізовані на основі різних технологій: механічні оптичні комутатори; електрооптичні; термооптичні; оптоелектронні з напівпровідниковими підсилювачами світла; інтегральні активні хвилеводні; на багатошарових світловодних рідкокристалічних матрицях; на інтегральних схемах з набором матриць оптоелектронних вентилів, зв’язаних оптичним променем; на основі фотонних кристалів.

Зазначені технології дозволяють створювати велику номеклатуру комутаторів. Визначені конфігурації комутаторів можуть забезпечити оптичну маршрутизацію на оптичному вузлі. Порівняльні характеристики деяких типів комутаторів приведені в табл. 4. Оптичні комутатори та маршрутизатори як одиничний елемент містять комутуючі осередки 2-2 (КЯ) (рис. 21). Багатокаскадні комутуючі середовища можуть будуватися з блокуванням і без блокування внутрішніх з’єднань.

Таблиця 4

Характеристики оптичних комутаторів

Тип комутатора	Розмірність (ВХ х ВИХ)	Втрати, дБ	Перехідне загасання, дБ	Поляризаційні втрати, дБ	Час переключення
Електромеханічний	8х8			0,2	10 мс
Електрооптичний LiNb3	4х4				10 пс
Оптоелектронний	4х4			малі	1 нс
Активний хвилеводний	4х4			–	1 нс
Термооптичний: - кварцовий - полімерний	8х8 8х8			малі малі	2 мс 2мс

Рис. 21. Види оптичних з’єднань

Рис. 22. Приклад відбиття хвиль у пакеті тонких плівок

Фотонні кристали. У 1998 р. з’явилися повідомлення про розробку 3-вимірних мікроскопічних структур, що одержали назву фотонних решіток. Мікроскопічні кристали, створені на основі кремнію, передають світло в оптичному діапазоні з мінімальними втратами по різних траєкторіях з вигином під прямим кутом у задану точку. Кристал являє собою пачку тонких кремнієвих 2-вимірних дифракційних решіток, кожен шар якої повернутий на 90⁰ щодо сусіднього. Число шарів обчислюється десятками. Що являє собою набір шарів? Це плівкові світлопрозорі матеріали з різними показниками переломлення і різної товщини (рис. 22).

При нормальному падінні світла на плоску границю розподілу двох середовищ з показниками переломлення n₁ і n₂ амплітудні коефіцієнти відображення і пропущення світла r і t визначаються різницею показників переломлення:

, . (3)

Якщо n₁ > n₂, то коефіцієнт r >0, а в противному випадку він негативний. Розглянемо падіння світлової хвилі перпендикулярно набору світлопропускаючих шарів. При відбитті світла від плівки товщиною d₂ з показником переломлення n₂, обмеженої по обидва боки середовищами з показником переломлення n₁, світло частково відбивається від першої границі (з коефіцієнтом r), частково проходить (з коефіцієнтом t) і доходять до другої границі, набираючи фазу , відбивається від другої границі з коефіцієнтом –r, повертається до першої границі, знову набираючи фазу , і виходить назовні.

Таким чином, фаза хвилі, відбитої від першої границі, і фаза хвилі, що пройшла усередину плівки, відбитої від другої границі, і повернулася до першої границі, відрізняються на величину. Якщо різниця фаз , то хвилі, відбиті від першої та другої границь, будуть підсилювати одна одну. Це можливо, якщо оптична товщина плівки дорівнює :

. (4)

Якщо збільшити число шарів пара з показниками переломлення n₁ і n₂, то коефіцієнт відбиття світла від структур збільшується, а інтенсивність світла в товщині структур, зменшується за експонентою. Такі структури одержали назва бреговських відбивачів. Один із прикладів використання таких фотонних кристалів приведений у конструкції лазера з вертикальними резонаторами.

Можливості по застосуванню фотонних кристалів численне: створення світловодних каналів у вигляді у волокон і керованих хвилеводів; спектральне мультиплексування і демультиплексування для оптичних мереж; кросування світлових хвиль, яких необхідно для створення оптичних процесів. Приклад фотонних кристалів у виді волокон розглянутий нижче.

Волокна з фотонно-кристалічною оболонкою (Holey Fibers, Photonic Crystal Fibers) - новий тип оптичних хвилеводів з унікальними властивостями становлять особливий інтерес. Ці ОВ звичайно виготовляються зі скла, кварцу або прозорої пластмаси шляхом перетяжки з попередньої форми, утвореної з щільно упакованих трубок і стрижнів, зібраної відповідно до поперечного перетину ОВ. У залежності від структури поперечного перетину, ці ОВ мають різні властивості, такі як ОМ-режим поширення в широкому спектральному діапазоні, велика/мала площа модової плями для збільшення/зменшення нелінійних ефектів, низькі або високі втрати на згинах, висока нелінійність для генерації гармонік, точно керовані поляризація, дисперсія групової швидкості, спектр пропускання та подвійна променезаломлюваність. Волокна цього типу мають низку переваг перед звичайними кварцовими світловодами:

- ОМ-режим для всіх довжин хвиль випромінювання;

- широкий діапазон зміни площі плями основної моди - до сотень нм²;

- постійне значення коефіцієнта дисперсії (дисперсійний нахил дорівнює 0,002 пс^*нм^-1*км^-1 для λ=1,3...1,5 мкм);

- високі значення коефіцієнта дисперсії (2000 пс^*нм^-1*км^-1 для спеціально розроблених структур);

- аномальна та нульова дисперсія для довжин хвиль менше 1,3 мкм спектр);

- контрольована локалізація полючи в повітряних отворах.

Крім того, області застосування цих волокон різноманітні: WDM пристрої та дисперсійна компенсація; волоконні лазери; мікроскопія ближнього поля; генерація фемтосекундних імпульсів для солітонів; оптичний генератор; спектроскопія газів і рідин; оптична транспортація мікрочастинок. Матеріал(и) для виробництва ОВ: оптичне скло, композиція зі стекол, композиція зі стекол і металів. Процеси: 2- або 3-фазне витягування скло-оптичних порожніх капілярних пучків, заповнення проміжків тісно упакованих волокон. У табл. 5 приведені геометричні характеристики п’яти видів фотонно-кристалічних волокон. На рис. 23 представлена конструкція фотонного волокна в розрізі при значному збільшенні (більш ніж у 1000 разів).

Таблиця 5

Геометричні характеристики фотонно-кристалічних ОВ

Характеристики
Інтервал між отворами, мкм		0,4
Діаметр отворів, мкм		0,2
Зовнішній діаметр волокна, мкм	125/400	125/400	125/400	125/400	125/400

Рис. 23. Конструкція волокна першого типу з однією серцевиною в розрізі

Дата добавления: 2014-01-20