Лекция 3. Конспект лекций

### Лекция 3. Пассивные устройства в оптической схемотехнике

3.1. Оптические разъемные соединители (коннекторы)
3.2. Соединительные розетки и адаптеры
3.3. Оптические аттенюаторы
3.4. Оптические кроссы
3.5. Оптические ответвители (разветвители)
3.6. Оптические изоляторы (вентили)
3.7. Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры
3.8. Оптические циркуляторы
3.9. Компенсаторы дисперсии
3.10. Преобразователи длин волн
3.11. Оптические коммутаторы и маршрутизаторы
3.12. Оптические мультиплексоры OADM

Пассивные оптические устройства не нуждаются в энергопитании и при этом позволяют реализовать ряд важнейших функций по передаче оптических сигналов, по объединению и разделению, по коррекции искажений и т.д.

### 3.1. Оптические разъемные соединители (коннекторы)

Оптические разъёмные соединители используются в аппаратуре для подключения волоконно-оптических линий и другого оптического оборудования. Номенклатура стандартных соединителей достаточно велика, но наиболее широкое распространение получили соединители SC, ST и FC (рис.3.1).

Корпусные детали коннекторов ST и FC изготовлены из никелированной латуни, а SC – из латуни и пластмассы. Материал хвостовиков и заглушек – цветной пластикат. Коннекторы имеют керамические наконечники диаметром 2,5мм, обеспечивающие физический контакт при соединении через проходную розетку и вносимые потери менее 0,2дБ. Многомодовые (ММ), одномодовые (SM) и одномодовые со скошенным торцом (АРС) коннекторы комплектуются хвостовиками разного цвета. Оконцевание производится по технологии эпоксидной вклейки. Двойное кримпирование (за кевларовые нити и за оболочку кабеля) повышает надежность и долговечность шнуров.

Коннектор ST рекомендуется использовать в первую очередь для многомодовых применений. Наконечник коннектора не связан с корпусом и оболочкой кабеля, что делает конструкцию проще, надежней и дешевле. В то же время такая конструкция полностью удовлетворяет многомодовому применению. Моноблочная конструкция ST коннектора разработана для быстрого оконцевания. Корпус из никелированной латуни, изготовленный токарным способом, наилучшим образом отвечает байонетному соединению.

Рисунок 3.1а Коннекторы ST, FC, SC

Коннектор FC рекомендуется в первую очередь для одномодовых применений в системах дальней связи и специализированных системах, а также в системах кабельного телевидения. Соединение шнуров, оконцованных коннекторами FC/PC, через стандартную соединительную розетку характеризуется высокой надежностью, стойкостью к вибрации и одиночным ударам до 1000 g, т.к. наконечник коннектора развязан с корпусом и оболочкой кабеля.

Рисунок 3.1б Отличие прямого и углового физического контакта в коннекторе

Примеры обозначений:

FC-SM-125 – одномодовый коннектор FC для волокна в 3-мм кабеле (моноблочная конструкция) с диаметром отверстия наконечника 125 мкм.

FC(S)-SM-126 – одномодовый компактный коннектор FC(S) для волокна в 900 мкм буферной оболочке, с диаметром отверстия 126 мкм.

SC-d-MM-127-900 – многомодовый дуплексный коннектор для волокна в 900 мкм буферной оболочке, с диаметром отверстия наконечника 127 мкм.

Коннектор SC рекомендуется для многомодовых и одномодовых применений. Он имеет полимерный корпус типа push-pull. Наконечник коннектора развязан с корпусом и оболочкой кабеля. Моноблочная конструкция обеспечивает быстрое оконцевание. Дуплексный коннектор SC представляет собой два обычных коннектора SC, объединенных между собой специальным полимерным зажимом.

### 3.2. Соединительные розетки и адаптеры

Соединительные розетки (рис.3.2) обеспечивают физический контакт соединяемых коннекторов. Материал корпуса розетки ST и FC – никелированная латунь, SC – пластик. Розетки для многомодовых применений содержат бронзовый разрезной центратор, розетки для одномодовых применений – керамический центратор.

Рисунок 3.2 Розетки ST, FC, SC

Вносимые потери на соединение стандартных шнуров: одномодовые – 0,2 ÷ 0,3 дБ, многомодовые – 0,05 ÷ 0,2 дБ.

Соединительные розетки SC могут быть спаренными. Переходные розетки (рис.3.3) используются для соединения шнуров различных стандартов, для сопряжения аппаратуры различных производителей.

Рисунок 3.3 Переходная розетка

Адаптеры различаются своим назначением.

Адаптеры для обнаженного волокна – это устройства для оперативного временного оконцевания одномодового или многомодового волокна в буферном покрытии диаметром 900 мкм. Адаптеры используются при ремонте и оптических измерениях. Адаптеры для обнаженного волокна состоят из коннектора определенного типа (FC,ST,SC) и специализированного зажимного устройства, которое может удерживать волокно в буферном покрытии. Типовые потери 0,4 ÷ 0,8 дБ.

Адаптеры типа FM используются в измерительной аппаратуре. Они подключаются к оптическому входу прибора и защищают приборы от риска повреждения излучателей и фотоприемников при многократных включениях. FM адаптеры представляют собой комбинацию розетки и коннектора. В коннекторную часть вклеен отрезок волокна. Типовые потери 0,4 ÷ 0,8 дБ.

### 3.3. Оптические аттенюаторы

Оптические аттенюаторы применяются с целью уменьшения мощности оптического сигнала. Существует несколько разновидностей аттенюаторов.

Переменные аттенюаторы – розетки (рис.3.4) имеют присоединительные размеры стандартных проходных розеток типа ST и FC и взаимозаменяемы с ними. Аттенюаторы допускают плавную регулировку величины затухания за счет изменения воздушного зазора. Точность установки 0,5 дБ. Диапазон плавной регулировки ST и FC: 0 ÷ 15 дБ для многомодового применения, 0 ÷ 20 дБ для одномодового применения.

Переменный аттенюатор FC/APC разработан на базе стандартного аттенюатора FC и отличается более высокой точностью установки и большей величиной затухания (0 ÷ 30 дБ).

Рисунок 3.4 Переменные аттенюаторы-розетки

Фиксированные аттенюаторы-розетки (рис.3.5) имеют присоединительные размеры и внешний вид стандартных проходных розеток ST, FC. Затухание определяется калиброванным воздушным зазором. Типовые значения затуханий: 5, 10, 15, 20, 25, 30 дБ.

Рисунок 3.5 Фиксированные аттенюаторы-розетки

Аттенюаторы – FM адаптеры используются в измерительной и телекоммуникационной аппаратуре для оперативного снижения уровня сигнала. Типовые значения затуханий: 5, 10, 15, 20 дБ.

Переменные аттенюаторы – FM адаптеры имеют внешний вид стандартных FM адаптеров, однако, отличаются наличием регулировочной гайки и стопорного кольца. Регулировка затухания осуществляется за счет воздушного зазора. Используются в качестве подстроечных устройств. Величина затухания 0-20 дБ. Точность установки 0,5 дБ.

### 3.4. Оптические кроссы

Оптические кроссы используются для коммутации многоволоконного оптического кабеля, соединительных шнуров и электронного оборудования. Оптические кроссы делятся на настенные, стоечные и поддонные (рэковые). Корпус кросса представляет собой коробку или шкаф.

Настенные кроссы (пример на рис.3.6) различаются числом розеточных портов: 8, 12, 16, 32. В розеточные порты вставляются розетки FC, ST, SC или дуплексные розетки SC.

Рисунок 3.6 Настенный кросс

Стоечные кроссы различаются способом установки (к стене или в ряд с оборудованием) и числом розеток (до 80).

Кроссы в виде поддонов (называемые рэковыми) имеют три варианта исполнения – 1U, 2U, 3U – и рассчитаны на 16, 32 и 48 розеток. Эти кроссы лучше защищены от пыли.

### 3.5. Оптические ответвители (разветвители)

Оптический разветвитель (splitter) представляет собой многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами.

Различают следующие виды разветвителей: однонаправленные, двунаправленные, чувствительные к длине волны (частотнозависимые) и нечувствительные к длине волны (частотнонезависимые). В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать на прием и на передачу или осуществляет прием и передачу одновременно.

Частотнонезависимые разветвители подразделяются на звездообразные, древовидные и ответвители.

Звездообразные разветвители обычно имеют одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из n входов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Большое распространение получили разветвители 22 и 44. Распределение мощности происходит равномерно.

Древовидные разветвители расщепляют входной оптический сигнал на несколько выходных, или наоборот, объединяют несколько сигналов в один выходной. Распределение мощности от одного входа к n выходам равномерное. Нашли применение разветвители от 2 до 32 и более выходов в пассивных оптических сетях PON (рис.3.7).

Ответвитель отличается неравномерным распределением мощности от одного входа к n выходам.

Частотнозависимые разветвители могут использоваться в качестве устройств многоволнового мультиплексирования WDM. С их помощью можно объединять и разделять сигналы различных длин волн.

Примеры характеристик некоторых широко применяемых разветвителей приведены в табл. 3.1.

Рисунок 3.7 Пример использования разветвителей в пассивной оптической сети (PON)

### 3.6. Оптические изоляторы (вентили)

Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом направлении – с большим затуханием. В основе работы оптического изолятора лежит эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации света оптически неактивными веществами под действием продольного магнитного поля. Принцип действия отражает рис.3.8.

Прямой луч света благодаря поляризатору имеет вертикальную поляризацию. Отраженный луч после обратного прохождения через ячейку Фарадея получает горизонтальную поляризацию. По этой причине он не пройдет через поляризатор к источнику прямого луча.

Максимальная изоляция может составить 16 ÷ 36 дБ. Вносимые потери для прямого луча не превышают 1,5 дБ.

Таблица 3.1 Оптические двухоконные разветвители (1310±40 нм, 1550±40 нм)

Рисунок 3.8 Конструкция изолятора

### 3.7. Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры

Оптическая фильтрация обеспечивается различными устройствами мультиплексирования/демультиплексирования: волоконно-оптическими дифракционными решетками Брэгга, тонкопленочными диэлектрическими интерференционными фильтрами, фазированными волноводными решетками, резонаторами Фабри-Перо FP и т.д.

Волоконно-оптические дифракционные решетки Брэгга представляют собой отрезок стекловолкна, в сердцевине которого изготовлена дифракционная решетка Брэгга, работающая как спектральный фильтр (рис.3.9).

Рисунок 3.9 Волоконный фильтр Брэгга

На рис.3.10 представлена схема оптического демультиплексора на основе брэгговской решетки, настроенной на волну λ3.

Рисунок 3.10 Волоконный демультиплексор на решетке Брэгга

Такие устройства легко сращиваются с другими волоконно-оптическими компонентами, характеризуются малыми вносимыми потерями. Однако волоконно-оптические решетки являются двухпортовыми устройствами и на практике должны объединяться с оптическими циркуляторами и ответвителями, что приводит к дополнительным потерям. На основе решеток Брэгга строятся оптические мультиплексоры вывода/ввода OADM. Такие устройства обеспечивают межканальный интервал 100 ГГц при переходных помехах не хуже – 25 дБ и интервал 50 ГГц при помехах не хуже – 20 дБ. Потери мощности выводимых сигналов не более 2 дБ. Общие потери мощности при прохождении сигналов через устройство не более 3,5 дБ. Брэгговские решетки подвержены влияниям температуры (10 рм/Сo) и поэтому они упаковываются в термостабильные блоки.

Тонкопленочные диэлектрические интерференционные фильтры принято считать одним из перспективных путей реализации фильтрации в оптических системах. Эти фильтры представляют собой набор пластин с многослойным покрытием выполненных из разных материалов (селенида цинка, сульфида цинка, криолита). Такие устройства могут иметь полосу пропускания 30…100 нм при прямых потерях 0,5…1 дБ и переходном затухании между каналами до 40 дБ. Толщина каждого слоя составляет от 0,025 до 0,5 λ. Они были первыми стандартизированы в промышленности и применяются в системах передачи с 80-х годов и обеспечивают разделение (объединение) от 2 до 4 длин волн с интервалами между каналами не менее 20 нм (рис.3.11). Принцип действия фильтра основан на многократном отражении от различных по показателям преломления слоев пленок. Эти отражения обеспечивают синфазное сложение волн одной длины и противофазное другой волны.

Однако, ряд работ, проведенных Американской оптической ассоциацией, показали возможность уменьшения межканального расстояния до 0,8 нм (100 ГГц). Однако сборные тонкопленочные фильтры чувствительны к температуре и влажности. Другой пример построения мультиплексоров/демультиплексоров на тонких пленках приведен на рис.3.12. Эта схема обеспечивает разделение волн 1280, 1300, 1320, 1340 нм в системах CWDM. Потери энергии составляют 5 дБ в канале, а переходные помехи составляют не более – 19 дБм.

Известен метод изготовления пленок методом напыления, который позволил достигнуть термостабильности 0,5 пм/Сo, что исключает необходимость термостабилизации. При этом возможно использование этих фильтров для создания каналов с интервалом 0,8 нм (100 ГГц).

Рисунок 3.11 Принцип построения интерференционного мультиплексора

Фазированные волноводные решетки получили широкое применение в системах DWDM в качестве мультиплексоров и демультиплексоров благодаря высокой точности настройки и интегральному исполнению. В технической документации и различной научно-технической литературе их обозначают AWG (Arrayed Waveguide Gratings).

Рисунок 3.12 Схема демультиплексора волновых каналов на основе
диэлектрических интерференционных фильтров

На рис.3.13 представлена конструкция AWG. В конструкции AWG используется волноводный массив, который выполняется из отрезков волоконных световодов разной длины или в виде планарных волноводов на подложке (рис.3.14). В состав конструкции входят пластины облучения массива волноводов и разделения волн в пространстве.

Рисунок 3.13 Устройство AWG

Принцип действия состоит в следующем (аналогично рис.3.14). Входное многоволновое излучение в первой пластине возбуждает фазированные волноводные каналы решетки. После прохождения по этим волноводам волны интерферируют во второй пластине в соответствующих точках фокуса. Положение точек фокуса зависит от длины волны сигнала и разности пробега волн в волноводах ΔL/λ. Поскольку положение точек фокуса зависит от длины волны, то волны λ1, λ2, …, λi входного сигнала появятся на выходе в определенных выходных волноводах. Это свойство используется в демультиплексоре и мультиплексоре.

Рисунок 3.14 Фильтр на фазированной волноводной решетке

Мультиплексоры AWG чувствительны к температуре, поэтому их выпускают термостатированными на 16, 32 и более волновых каналов. Типовыми характеристиками AWG являются:

- точность настройки каналов 50,100 ГГц;
- число каналов в заданном диапазоне волн (16, 32 и более в диапазоне 1545…1560нм);
- полоса пропускания канала 0,35нм;
- изоляция каналов более 25дБ;
- условия применения в оптических мультиплексорах или демультиплексорах.

### 3.8. Оптические циркуляторы

Оптические циркуляторы строятся на основе эффекта Фарадея. При этом циркулятор имеет 3 или 4 порта (рис.3.15) и выполнены волоконно-оптическими устройствами.

Распределение излучения между портами определяется направлением распространения. В трехпортовом циркуляторе излучение, входящее в порт 1, проходит к порту 2; излучение, введенное в порт 3, не проходит в порт 2. Аналогично работает 4-хпортовый циркулятор.

Вносимые потери циркулятора – около 1,2 дБ, гарантированная изоляция портов – более 40 дБ.

Рисунок 3.15 Схемы оптических циркуляторов

### 3.9. Компенсаторы дисперсии

Дисперсия выступает фактором ограничения скорости передачи оптических импульсных сигналов в одномодовом стекловолокне. Особенно заметно это ограничение на скоростях 10Гбит/с и выше. Например, при скорости 2,5 Гбит/с сигнал может быть передан на расстояние до 1000 км без видимых искажений на длине волны 1,3 мкм в стандартном волокне G.652. Уже при скорости 10 Гбит/с дальность передачи не превысит 60 км в этом же волокне, а при скорости в 20 Гбит/с она будет только 15 км.

Управление дисперсией является важной частью проектирования линейных трактов. При этом необходимо уменьшить влияние как хроматической, так и поляризационной модовой дисперсии.

При построении компенсаторов дисперсии используются методы создания волокон, компенсирующих дисперсию, и дифракционные решетки, например, интегральные и волоконные решетки Брэгга с линейно изменяющейся постоянной решетки. Пример использования волоконной решетки Брэгга в компенсаторе дисперсии приведен на рис. 3.16.

Рисунок 3.16 Компенсация дисперсии на основе волоконной брэгговской решетки

Волоконные компенсаторы хроматической дисперсии выполняются из волокон с противоположной дисперсией, т.е. для волокна с дисперсией D+ (на заданной волне или в диапазоне волн) предлагается использовать отрезок волокна с дисперсией D-. При этом отрезок волокна с D- по длине существенно меньше линейного волокна с D+. Волокна для компенсации дисперсии укладывают как в линейный кабель (рис.3.17) так и в небольшие катушки, легко размещаемые в поддонах аппаратуры или в виде модулей аппаратуры ВОСП (рис.3.18, 3.19). Отрезки волокон с D- соответствуют длинам компенсации 20, 40,…..100км. Вносимые дополнительные потери могут составить до 8дБ.

Рисунок 3.17 Компенсация дисперсии в линейном волокне DSF

Рисунок 3.18 Конструктив модуля компенсации дисперсии волокна
SMF (G.652) в диапазоне волн 1525-1565нм в пределах -50….-2100пс/нм
для длинных и сверхдлинных оптических линий

Рисунок 3.19 Компенсация дисперсии в сосредоточенном волоконном компенсаторе DCF

Кроме волоконных компенсаторов дисперсии в составе блоков применяются компенсаторы на перестраиваемых волноводных решетках, которые отличаются малыми габаритами, малыми потерями оптической мощности и большим диапазоном перестройки. К таким компенсаторам относится TODC (Tunable Optical Dispersion Compensator) компании CIVCOM. Это устройство имеет диапазон перестройки ±1700пс/нм, а в реализации для транспондера ±2500пс/нм, потери мощности не более 1дБ, рабочая полоса волн 1528-1610нм. Управление перестройкой электрическое. Прибор может использоваться для линий одноволновой и многоволновой передачи с интервалом между каналами 50ГГц и скоростью передачи в каждом канале до 10Гбит/с. Конструкция TODC приведена на рис.3.20. Габариты прибора 30×12.7×9.75мм.

Рисунок 3.20 Конструкция компактного компенсатора хроматической дисперсии TODC

Применение компенсаторов дисперсии позволяет гибко управлять дисперсией протяженных каналов (рис.3.21). Кроме того, использование электронной цифровой обработки сигнала на приёмной стороне позволяет компенсировать дисперсионные искажения на дистанциях до 4-6 тыс.км, что делает линейный тракт более однородным и сокращает мощность нелинейных помех в волоконных световодах благодаря более равномерному распределению мощности оптических сигналов по длине линии.

Рисунок 3.21 Управление дисперсией в протяженной волоконной линии

### 3.10. Преобразователи длин волн

Для создания полностью оптических сетей необходимы преобразования длин волн оптических сигналов, переносящих информацию. Это преобразование можно осуществить в системе "оптика – электроника – оптика", известной как транспондер. Однако это устройство очень дорогое и сложное. Поэтому получили развитие другие методы преобразования без "посредничества" электроники.

Один из методов волновой конверсии без оптоэлектронного преобразования основан на использовании ферроэлектрического кристалла, внутри которого создается периодическая структура с чередующейся сменой направлений поляризации для нелинейного оптического взаимодействия двух частот (сигнала и накачки). При одновременном распространении входного сигнала и сигнала от лазера накачки происходит генерация волны, которая является разностной между волнами накачки и сигнала (рис.3.22).

Рисунок 3.22 Схема преобразования волны в конверторе

В процессе преобразования формируется разностная частота

(3.1)

где n – порядок нелинейности.

В качестве нелинейной среды может использоваться отрезок стекловолокна с нулевой смещенной дисперсией (DSF) длиной 2 км. При этом должна быть обеспечена накачка на длине волны, соответствующей сохранению

(3.2)

Эффект преобразования длины волны может быть получен и в полупроводниковом оптическом усилителе.

### 3.11. Оптические коммутаторы и маршрутизаторы

Оптическая коммутация и маршрутизация могут быть реализованы на основе различных технологий: электромеханические оптические коммутаторы; электрооптические; термооптические; оптоэлектронные с полупроводниковыми усилителями света; интегральные активные волноводные; на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах; на интегральных схемах с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом; на основе фотонных кристаллов и др.

Указанные технологии позволяют создавать большое разнообразие коммутаторов. Определенные конфигурации коммутаторов могут обеспечить оптическую маршрутизацию а оптическом узле.

Сравнительные характеристики некоторых типов коммутаторов приведены в табл.3.2.

Оптические коммутаторы и маршрутизаторы в качестве единичного элемента содержат коммутирующие ячейки 2 × 2 (КЯ) (рис.3.23).

Рисунок 3.23 Виды оптических соединений

Многокаскадные коммутирующие среды могут строиться с блокированием и без блокирования внутренних соединений.

Таблица 3.2 Примеры характеристик оптических коммутаторов

Одно из основных устройств коммутации в оптических телекоммуникациях - механические оптические коммутаторы, выполненные в виде микрозеркал микроэлектромеханической системы MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Такие системы строятся чаще как поворотные или подъемные в магнитном поле зеркала. При этом переключение в пространстве может быть двухмерным и трехмерным. В трехмерном переключении число направлений неограниченно. Пример коммутационного элемента – зеркала, которое может находиться в вертикальном или горизонтальном положении приведен на рис.3.24.

Отражающее зеркало имеет диаметр около 500 мкм. Время изменения состояния не более 5 мс (горизонтально или вертикально). Вносимые потери мощности не более 1,5 дБ. Управление зеркалом обеспечивается через магнитное поле микроэлектромагнита. При включенном электромагните зеркало находится в горизонтальном положении. На основе управляемых микрозеркал создаются кроссовые коммутационные матрицы 256х256, 1024х1024 и т.д., рассчитанных на диапазон волн 1280…1675 нм. Пример матрицы оптической коммутации 4х4 на основе микрозеркал показан на рис.3.25.

Рисунок 3.24 Микромеханический элемент переключения

Рисунок 3.25 Оптический кроссовый коммутатор 4х4 с управляемыми микрозеркалами

### 3.12. Оптические мультиплексоры OADM

Одним из важнейших узлов, который относится к разряду ключевых в оптических транспортных сетях, принято считать оптический мультиплексор выделения/ввода OADM (Optical Add-Drop Multiplexers). С его помощью в многоволновой сети возможен доступ к отдельным волновым каналам. Реализация этого возможна на основе волоконных Брэгговских решеток, настроенных на фиксированные волны, на основе волноводных решеток типа AWG и т.д. На рис.3.26 представлена упрощенная схема OADM на фиксированные волны.

Рисунок 3.26 Схема оптического мультиплексора OADM

Упрощение связано с обозначением только одного направления передачи (слева направо). С помощью управляемых оптических ключей возможен доступ к отдельным волнам (в примере это 4 волны). Ключи могут иметь электромеханическое (микрозеркала) или электрооптическое управление коммутацией. Управляемые аттенюаторы позволяют выравнивать уровень мощности оптических каналов. С помощью разветвителей и фотодетекторов создана возможность выполнения контроля мощности каждого канала.

В приведенном примере OADM показано: разделение волн λ1…λ4 в демультиплексоре; вывод волн λ1 и λ4 и введение на их место и с другим трафиком; ответвление части мощности λ3 (функция «вещания») и пропуск без доступа волны λ2. Этот пример отражает фиксированную схему OADM. Для повышения гибкости сетевого элемента в оптической сети необходимо иметь возможность селекции волн с перестройкой, группирование волн, изменение длины волны передачи и т.д.