Рисунок 3.6 – Схематическое изображение разветвителя Х-типа
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
В волоконно-оптической технике часто возникают задачи разделения или объединения потоков оптического излучения, отвода части оптического излучения из основного канала передачи в другие. Такие задачи решаются с помощью оптических разветвителей.
Оптический разветвитель - это в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными полюсами.
Под оптическим полюсом понимается место ввода или вывода оптического излучения.
Различают четыре вида разветвителей:
Общий принцип работы и параметры каждой категории разветвителей можно проиллюстрировать на примере разветвителя Х-типа (2x2), схематически представленного на рисунке 3.6, а затем уже перейти к рассмотрению конкретных типов разветвителей.
Рисунок 3.6 – Схематическое изображение разветвителя Х-типа
Линия передачи, соединяющая полюса 1 и 3, называется основной линией, а линия передачи, соединяющая полюса 2 и 4, – вспомогательной линией.
В приведённом четырёхполюсном пассивном двунаправленном разветвителе излучение, введённое через полюс 1, может выходить через полюсы 3 и 4, и не должно поступать в полюс 2. По аналогии излучение, введённое через полюс 2, может выходить через полюсы 4 и 3, и не должно выходить через полюс 1. Таким образом, полюсы 1 и 2 в рассматриваемом направлении излучения являются входными, а полюсы 4 и 3 - выходными. Данный разветвитель является взаимным, так как возможно также обратное распространение света и изменение роли полюсов, т. е. при подаче излучения через полюсы 4 и 3 они становятся входными, а полюсы 1 и 2 - выходными.
Для анализа потерь, возникающих при прохождении света в разветвителях, рассмотрим вариант использования разветвителя на рисунке 6, когда полюс 1 - входной, а полюсы 4 и 3 - выходные.
Деление оптической мощности с помощью разветвителя Х-типа характеризуется следующими параметрами.
Переходное ослабление определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии
Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, а так же от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления С разветвители делятся на устройства с сильной (С = 0 – 10дБ) и слабой (С > 10дБ) связью. Разветвители, имеющие равные мощности в выходных плечах (С=3дБ), выделены в особый класс соединений называемый трёхдецибельные направленные ответвители.
Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии
Направленность идеального ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно так же, чтобы разветвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность может быть нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны световода распространяются волны равной амплитуды, а так же положительной или отрицательной.
Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии
Балансом выходных плеч называется отношение мощностей на выходе основной линии и выходе рабочего плеча вспомогательной линии
Рабочее ослабление (или вносимые потери) определяются отношением мощностей на входе основной и выходах основной и вспомогательной линий
Потери на разветвлении - это потери, связанные с тем, что мощность естественным образом распределяется между выходными полюсами. Для идеального разветвителя (1 x n) с n выходными полюсами, в предположении равенства мощностей между всеми выходными полюсами, потери на разветвление определяются соотношением
Так для разветвителя 4x4 потери на разветвлении А1n = 6дБ. Это - минимальное значение, присущее идеальному разветвителю с симметричными выходными полюсами.
Рабочий диапазон длин волн - это диапазон длин волн, в пределах которого параметры разветвителя не становятся хуже допустимых. Разветвители, имеющие большой диапазон длин волн, называются ахроматическими. Чем меньше зависимость вносимых потерь разветвителя от длины волны, тем шире диапазон. Светоизлучающие диоды работают в полосе излучения Δλ=±35нм в окрестности несущей длины волны λ0. Для поддержания такого диапазона оптический разветвитель должен быть ахроматическим.
Оптические разветвители подразделяются на три категории:
а) Древовидный разветвитель
Древовидный разветвитель – это устройство, которое осуществляет расщепление входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию – объединение нескольких сигналов в один выходной (рисунок 3.7).
Рисунок 3.7 – Схематическое изображение древовидного разветвителя
Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как nxm, где n – число входных полюсов (для древовидного разветвителя n=1), а m – число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В выпускаемых в настоящее время моделях количество выходных полюсов может находится в пределах от 2 до 32.
По своей конструкции древовидные разветвители разделяют на две основные группы:
В обеих группах излучение может передаваться либо при непосредственном контакте световодов, либо через вспомогательные элементы - зеркала, линзы, смесители.
В биконических разветвителях свет может быть извлечён, например, при связи со вторым световодом через боковое соединение (рисунок 3.8).
а – Х-типа; б – Y-типа
Рисунок 3.8 – Устройство биконического разветвителя со связью через боковое соединение и ход лучей
Соотношение между Р3 и Р4 зависит от длины области связи.
Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных световодов непосредственно состыковываются с торцом входного световода и закрепляются каким-либо механическим способом или склеиваются. Изменяя взаимное положение торцов сердцевины и подбирая их поперечное сечение (рисунок 3.9), можно изменять в широких пределах отношение мощностей в разных каналах. Вносимые потери составляют 0,3-1,2дБ. Для их уменьшения торцы стравливают или сошлифовывают.
На рисунке 3.10 изображён ход лучей в разветвителе с ветвящейся структурой, полученной путём склеивания или сплавления выходных ВС вдоль сошлифованных под малым углом сердцевин и соединения с торцом входного ВС.
 |
 |
| 1-входной световод; 3,4-выходные световоды | 1-входной ВС; 3,4-выходные ВС |
| Рисунок 3.9 – Устройство разветвителя торцевого типа | Рисунок 3.10 - Устройство разветвителя с ветвящейся структурой |
Хотя принцип разветвителя простой, изготовление затруднительно, вносимые потери составляют 0,5 - 1,2дБ. Эта конструкция подходит как для градиентных, так и для ступенчатых ВС. Разделение мод и потери растут с ростом угла, под которым соединены ВС.
Разветвитель с расщеплением пучка показан на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11 - Устройство разветвителя с расщеплением пучка
ВС разрезан под углом 45o к оси, торцы его отполированы и покрыты частично отражающими металлическими или диэлектрическими зеркалами. Теоретически величина потерь 0,5дБ. Практически для всех типов ВС вносимые потери равны 1 - 1,5дБ в зависимости от коэффициента разделения.
В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы (градины), представляющие собой отрезок градиентного ВС с параболическим профилем показателя преломления. Ход лучей в такой линзе при осевом и не осевом падении луча, показан на рисунке 3.12.
Лучи периодически фокусируются на оси линзы в точках, двойное расстояние f между которыми определяется длиной волны сигнала и градиентом показателя преломления.
а-осевое падение лучей; б-не осевое падение лучей
Рисунок 3.12 - Ход лучей в градиентной цилиндрической линзе.
1-входной ВС; 3,4-выходные ВС
Рисунок 3.13 - Устройство разветвителей с градиентными диэлектрическими линзами и ход лучей
На линзы наносятся частично отражающие покрытия, которые на рисунке показаны утолщёнными линиями. Измеренные вносимые потери, например, для разветвителя, изображённого на рисунке 3.13,в, составляют 1дБ.
б) Ответвитель
Ответвитель – это обобщение древовидного разветвления, у которого выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами (рисунок 3.14).
Рисунок 3.14 – Схематическое изображение ответвителя
Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идёт в каналы 2,3,…, m, в то время как основная доля (больше 50%) поступает в первый выходной канал. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности. Конфигурации ответвителей бывают 1x2, 1x3, 1x4, 1x5, 1x6, 1x7, 1x8, 1x16, 1x32.
В настоящее время наибольшее распространение получили сварные ответвители, в которых оптические волокна, образующие входные и выходные полюса, сплавляются в монолитную конструкцию. Этот ответвитель действует за счёт связи между двумя световодами на отрезке небольшой длины, на котором отсутствует оболочка (рисунок 3.15). Сравните с разветвителем, изображённым на рисунке 3.8, а.
Свет извлекается через боковую поверхность. Переходное ослабление С14 может изменяться от 3 до 20дБ, вносимые потери A13 составляют примерно 1дБ.
Рисунок 3.15 - Устройство биконического сварного ответвителя и ход лучей
в) Звёздообразный разветвитель
Звёздообразный разветвитель – это устройство которое обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из n входных полюсов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Во избежание путаницы принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса - цифрами (рисунок 3.16). Звёздообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами.
Рисунок 3.16 – Схематическое изображение звёздообразного разветвителя
Большое распространение получили звёздообразные разветвители 2x2 и 4x4.
Звёздообразный разветвитель, показанный на рисунке 3.17, состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем 1. Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало 2, на другой конец нанесено просветвляющее покрытие 3. Излучение, выходящее из какого-либо световода 4, отражается от зеркала и равномерно распределяется по всем световодам. Это даёт возможность каждому терминалу в системе передавать и принимать данные от любого другого терминала.
1-смесительный стержень; 2-сферическое зеркало; 3-просветвляющее покрытие; 4-выходной световод
Рисунок 3.17 - Устройство звёздообразного разветвителя со сферическим зеркалом
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |