Лекция 4 (Шесть лекций)
Описание файла
Файл "Лекция 4" внутри архива находится в папке "Шесть лекций". Документ из архива "Шесть лекций", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "оптика в радиотехнике" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "оптика в радиотехнике" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лекция 4"
Текст из документа "Лекция 4"
Лекция 4.
Волоконно-оптические компоненты систем передачи информации
1. Методы соединения оптических волокон. Виды геометрического рассогласования волокон при их соединении
1.1. Разъемные оптические соединения
Параметры оптических соединителей
Вносимые потери
, где P0, Pt – мощность оптического излучения на входе и выходе соединителя. (1)
Коэффициент обратного отражения
, где PR – мощность потока обратного рассеяния. (2)
Также используется эквивалентный параметр «оптические обратные потери »: ORL = –RL
Потери и коэфф. обратного отражения зависят от параметров соединяемых волокон и от технологии изготовления соединения.
Потери из-за различия диаметров сердцевины и числовых апертур определяются соотношениями:
, (3)
где Dc1, NA1 и Dc2, NA2 – диаметр сердцевины и числовая апертура передающего и приемного волокон соответственно.
Эти соотношения справедливы при Dc1>Dc2 и NA1 > NA2.
Потери из-за технологии изготовления соединения обусловлены:
-
качеством торцов соединяемых волокон;
-
френелевским отражением от торцов волокон;
-
геометрическим рассогласованием соединяемых волокон.
Виды геометрического рассогласования волокон при их соединении
Рис. 1
Потери из-за радиального (поперечного) рассогласования волокон приближенно можно оценить по формулам:
для ступенчатого ОВ 
(4)
для градиентного ОВ 
, (5)
где l – величина поперечного смещения волокон; Rc – радиус сердцевины.
Чтобы получить потери менее 1 дБ смещение ОВ не должно превышать 0,1 диаметра.
Для многомодовых ОВ точность совмещения должна быть не хуже 5 мкм;
для одномодовых – не хуже 1 мкм.
Френелевское отражение от торца волокна (в воздухе)
, где n – ПП кварцевого стекла.
Для пары коннекторов потери из-за отражения составят 3,5%+3,5%=7% , что соответствует 0,16дБ+0,16дБ = 0,32 дБ.
Для уменьшения обратного отражения за счет улучшения оптического контакта торцы наконечников скругляют. Существуют три градации физического контакта, отличающиеся уровнем потерь на обратном отражении: PC < -30 дБ; SPS (SuperPC) < -40 дБ; UPS (UltraPC) < -50 дБ.
Обратное рассеяние может быть еще больше уменьшено при использовании углового (наклонного) физического контакта (angled PC, APC). Потери на обратном отражении для APC обычно меньше -60 дБ, а типичные значения могут быть -75 дБ. При этом угол наклона торцевой поверхности составляет 8-12.
а) б) в)
Рис. 2. Форма наконечников оптических соединителей (а)- плоский торец, б- торец со сферической поверхностью, в- торец с наклонной сферической поверхностью.
Типы разъемных оптических соединителей:
SC (прямоугольная форма, защелка с фиксатором; диаметр наконечника 2,5 мм);
LC – малогабаритный вариант SC-коннектора (диаметр наконечника 1,25 мм)
FC (резьбовая конструкция; диаметр наконечника 2,5 мм);
ST (байонетный тип фиксации; диаметр наконечника 2,5 мм)
FDDI – конструкция исполняется из пластмассы и содержит два керамических наконечника. Используется для подключения дуплексного кабеля.
Основные параметры разъемных соединителей: вносимые потери 0,1…0,5 дБ; количество подключений (500-1000).
1.2. Неразъемные оптические соединители
Сварка оптических волокон
Процесс сварки состоит из трех этапов:
-
подготовка волокон (удаление оболочки, удаление загрязнений и очищенной поверхности и скол);
-
непосредственно процесс сварки;
-
защита места сварки.
Для сварки используются специальные сварочные аппараты.
| Рис. 3. Принцип сварки электрической дугой. | Собственно процедура сварки реализуется в три этапа: 1) Очистка волокна (расстояние между торцами примерно 100 мкм; подается кратковременная электрическая дуга, которая выжигает загрязнения. 2) Оплавление, или предсварка (расстояние между торцами примерно 10–15 мкм; ток дуги и ее продолжительность увеличиваются). Торцы приобретают выпуклую форму. 3) Основная сварка (ток дуги и время ее подачи возрастают еще больше и регулируются по определенному алгоритму. При расплавлении стекла волокна сводятся вплотную, сплавляются и формируется их соединение По принципу выравнивания волокон перед сваркой аппараты делятся на ручные, полуавтоматические и автоматические. Типичные значения потерь соединения 0,05…0,1 дБ. Обратное отражение –60…–70 дБ |
Механические соединители – сплайсы – это заполненный иммерсионным гелем оптический капилляр, куда вводятся ОВ, подлежащие соединению. Типичные значения потерь соединения не более 0,2 дБ. Обратное отражение не более –50 дБ.
2. Волоконно-оптические разветвители
| Оптический разветвитель представляет собой пассивный оптический многополюсник, имеющий M входных и N выходных оптических полюсов, в котором оптическое излучение, подаваемое на какой-либо входной оптический полюс, распределяется в заданном соотношении между выходными его полюсами. Наиболее часто применяются разветвители 1×2 (Y-типа); 2×2 (X-типа); звездообразные разветвители 1×N и N×N (N = 8, 16, 32). | Рис. 4. Представление волоконно-оптического разветвителя как пассивного оптического многополюсника. |
2.1. Основные характеристики оптических разветвителей
1.Коэффициенты передачи между оптическими полюсами
Коэффициенты передачи между оптическими полюсами Kij или kij[дБ], определяются по формулам:
Kij = (Pij/P0),
kij = –10lgKij,
где P0 – мощность оптического излучения на входном полюсе; Pij – мощность оптического излучения на j-ом выходном полюсе при возбуждении i-го входного полюса.
Оптические характеристики многополюсных разветвителей полностью описывает матрица передачи, элементами которой являются коэффициенты передачи. На основе значений элементов матрицы передачи для разветвителя типа MN рассчитываются значения неравномерности коэффициентов передачи и величина оптических вносимых потерь
2. Неравномерность коэффициента передачи
k[дБ] = kmax – kmin , где kmax и kmin – соответственно максимальное и минимальное значения коэффициентов передачи,
3. Вносимые потери
[дБ], где M – число входных полюсов разветвителя.
4. Переходное затухание на ближнем конце – коэффициент передачи между двумя входными оптическими полюсами при вводе оптического излучения в один из этих полюсов.
В зависимости от типа используемого оптического волокна разветвители делятся на многомодовые и одномодовые.
Характеристики многомодовых разветвителей практически нечувствительны к изменению длины волны оптического излучения в диапазоне от 850 до 1550 нм. Одномодовые разветвители как правило выпускаются на заданный достаточно узкий диапазон длин волн (например, 131020 нм, 155050 нм). Они бывают однооконные и двухоконные.
Отдельную группу одномодовых разветвителей составляют разветвители, сохраняющие состояние поляризации вводимого излучения. Такие устройства изготавливаются на основе анизотропных оптических волокон и находят применение в волоконно-оптических системах различных интерференционных датчиков, в частности, в волоконно-оптических гироскопах.
Конструктивно разветвители могут быть выполнены в виде:
модуля с волоконными выводами;
корпуса с кабельными выводами;
корпус с розеточными блочными соединителями.
2.2. Методы изготовления разветвителей
| 1. Соединение боковых сошлифованных поверхностей волокон Матрица 2х2. Одномодовые и многомодовые. Потери 0,2–0,5 дБ. | Рис.5. Разветвитель на основе шлифованных волокон: 1-оптическое волокно; 2- кварцевые пластины с канавкой; 3-сошлифованный участок волокна;4-имерсионный гель |
| 2. Разветвители на основе световодных смесительных элементов Звездообразные с матрицей 1хN; NxN. Проходного и отражательного типов. Только многомодовые. Потери 3–6 дБ | Рис. 6 |
| 3. Разветвители на основе микрооптических элементов (микролинзы, интерференционные фильтры) Матрица 1х2; 1хN. Одномодовые и многомодовые. Потери 0,5–1 дБ. | Рис.7 |
| 4. Разветвители на основе сплавления и биконической перетяжки волокон (сплавные разветвители). Матрица 1х2 Y-типа; 2х2 X-типа; 1хN; NxN. Одномодовые и многомодовые. Потери менее 0,1 дБ для ОМ. Рис. 8 Величина мощности в выходных каналах разветвителя может быть записана в виде: где L – длина перетяжки; С – коэффициент связи, определяющий степень взаимодействия между собственными модами волновода (коэф. связи зависит от длины волны С(λ)) | Рис. 9. Метод изготовления сплавных ОР 1 – оптические волокна; 2 – нагревательный элемент; 3 – зона нагрева; 4 – участок сплавления волокон; 5 – биконическое сужение Рис. 10. Зависимость мощности оптического излучения в выходных каналах ответвителя от длины зоны перетяжки. |
| 5. Интегрально-оптические разветвители Матрица 1хN; 2хN; NxN. N=2; 4; 8; 16; 32 В основном одномодовые. Потери 1–3 дБ На основе диффузионных волноводов На основе гребенчатых волноводов | Рис. 11. Интегрально-оптический разветвитель |
3. Устройства спектрального уплотнения/разуплотнения (оптические мультиплексоры/демультиплексоры)
