Лекция 4 (1087446), страница 2
Текст из файла (страница 2)
3.1 Принцип работы волоконно-оптической системы передачи информации со спектральным уплотнением каналов. Классификация систем со спектральным уплотнением по плотности упаковки каналов.
Под мультиплексированием (уплотнением) будем понимать объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один выходной канал большей емкости, по которому производится передача информации. Такой канал часто называют агрегатным, а трафик - агрегированным (т.е. объединенным).
В настоящее время в оптических системах связи широко используется спектральное, или волновое уплотнение каналов, называемое в зарубежной литературе мультиплексированием с разделением по длинам волн WDM – Wavelength Division Multiplexing.
Суть метода волнового мультиплексирования заключается в объединении нескольких оптических несущих i (на передающей стороне) и передаче полученного сигнала i, по одному волокну с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих на приемной стороне. Устройства, обеспечивающие мультиплексирование/демультиплексирование называются соответственно оптическими мультиплексорами/ демультиплексорами. Они по сути являются спектрально-селективными разветвителями, т.е. коэффициент передачи зависит от длины волны.
Рис. 12. Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волокну
Основные характеристики ДМП:
1. Число каналов (от 2…10 до 128)
2. Полоса пропускания одного канала (по уровню 0,5) δλ
3. Межканальный интервал Δλ – спектральное расстояние между соседними каналами
4. Вносимые потери в пределах полосы пропускания
5. Изоляция соседних каналов – определяется уровнем перекрестной помехи, т.е. отношением величины паразитного сигнала к величине полезного
где Pi – оптическая мощность в i-м канале, Pi+/-1 – оптическая мощность в i-1 или i+1 канале, Pвх. – оптическая мощность на входе демультиплексора.
Классификация систем со спектральным уплотнением по плотности упаковки каналов
| Система | Частотный интервал, ГГц, не более | Число каналов |
| WDM (CWDM) | 200 (1,6 нм) | ≤16 |
| DWDM | 100 (0,8 нм) | ≤64 |
| HDWDM | 50 (0,4 нм) | >64 |
| UDWDM | 25 (0,2 нм) | >128 |
Системы "грубого" (с крупным шагом) спектрального уплотнения до 10-16 уплотняемых каналов (Coarse WDM или CWDM).
Системы плотного спектрального мультиплексирования (DWDM – Dense WDM). Именно такие системы используются для магистральной передачи информации (для межконтинентальных и межрегиональных линий связи), а также в системах с большими информационными потоками.
Согласно международным стандартам, волоконно-оптические кабельные системы работают в диапазоне длин волн 1530…1565 нм. Установлена стандартная сетка оптических частот от 196,1 до 192,1 ТГц с интервалами 100 ГГц и длины волн от 1528,77 до 1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт включает 41 спектральный канал.
HDWDM – системы высокоплотного спектрального уплотнения
UDWDM – (Ultra Dense WDM) системы сверхплотного спектрального уплотнения (с шагом деления 0,1-0,2 нм).
3.2. Типы, особенности конструкций оптических мультиплексоров/ демультиплексоров
Демультиплексоры на основе объемной дифракционной решетки
Рис. 13 Рис. 14.
Знак «+» или «-» выбирается с зависимости от используемого рабочего порядка дифракции m; 
– шаг дифракционной решетки
Обычно используют вогнутую отражательную дифракционную решетку.
Вносимые потери 3–6 дБ; Kиз = 22–24 дБ
ДМП на основе интерференционного фильтра – пластин с многослойным покрытием. Толщина каждого слоя от 0,025 до 0,5λ.
Матрица 1х2. Длины волн 1,31 и 1,55 мкм. Вносимые потери 0,4 дБ; Kиз = 30 дБ.
а) б)
Рис. 15. Демультиплексоры на основе интерференционных фильтров:
а – двухканальный; б – четырехканальный
ДМП на основе волоконной решетки Брэгга.
Отражение волны определенной длины происходит от дифракционной решетки Брэгга, имеющий определенный период. Условие Брэгга первого порядка: λB = 2nэфΛ, где Λ – шаг решетки.
Рис. 16. Волоконная брэгговская решетка выделяет из составного сигнала канал определенной длины волны
| Характеристики волоконных решеток для спектрального уплотнения каналов (DWDM - 100GHz) (ООО ИП «НЦВО – Фотоника») | |
| Резонансная длина волны lr, нм | ITU стандарт < +/- 0.025 |
| Коэффициент отражения R, % | > 99.9 |
| Спектральная ширина (-30 дБ в пропускании) Dl, нм | > 0.15 |
| Вносимые потери a, дБ | < 0.1 |
Рис. 17. Использование волоконных брэгговских решеток в мультиплексорах ввода/вывода каналов (Оптические
add/drop элементы, основанные на брэгговских решетках)
ДМП на основе сплавного биконического одномодового разветвителя
Матрица 1х2. Длины волн 1,31 и 1,55 мкм. Вносимые потери 0,1–0,3 дБ; Kиз = 18–20 дБ
| Рис. 18. Зависимость коэффициента деления от длины перетяжки для различных длин волн | Мощность оптического излучения P1 и P2 в выходных каналах сплавного биконического разветвителя определяются выражениями (см. п.2.2, рис.8): где P0 – входная мощность; С(λ) – коэффициент связи. Так как для реального сплавного разветвителя значение L фиксировано, а коэффициент связи С зависит от длины волны излучения, такой разветвитель будет обладать спектрально-селективными свойствами. На рис. 18 представлена типичная зависимость коэффициента деления от длины перетяжки для излучения с длиной волны 1310 нм и 1550 нм. При определенной длине перетяжки (области связи) достигается разделение двух длин волн, т.е. режим демультиплексирования. Таким образом, изготавливая разветвитель с областью связи определенной длины, добиваются объединения или разделения волн различной длины. |
ДМП на основе дифракционной решетки на массиве волноводов
а) б)
Рис. 19. а) Эшелон Майкельсона б) Принцип работы дифракционной решетки на массиве волноводов
Майкельсона эшелон, спектральный прибор, представляющий собой стопу стеклянных или кварцевых пластин одинаковой толщины, сложенных на оптический контакт так, что их концы образуют «лестницу» со ступеньками равной высоты.
Интегрально-оптический аналог эшелона Майкельсона часто называют phasar (phased array) или AWG-мультиплексор (arrayed waveguide grating).
| Рис. 20. AWG – мультиплексор Пример характеристик AWG-мультиплексоров: Число каналов 8–48; межканальный интервал 0,4; 0,8; 1,6 нм; потери 6–9 дБ; Kиз = 30 дБ. | Приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству эшелонных волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру. При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину ∆L, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Мультиплексирование происходит обратным путем. Связь между шириной диапазона разделяемых длин волн и разностью длин соседних волноводов ∆L nch – эффективное значение ПП мод канальных волноводов; λс – центральная длина волны; ∆λ – диапазон. Минимальное число эшелонных волноводов N N ≥ 2K, где K – число входных/выходных каналов |
4. Волоконно-оптические усилители на основе активных волокон.
Волоконно-оптические усилители обеспечивают внутреннее усиление оптического сигнала без его преобразования в электрическую форму. Они используют принцип индуцированного излучения аналогично лазерам. В таких усилителях рабочей средой является кварцевое одномодовое волокно с сердцевиной, легированной ионами эрбия (Er3+). Усилители на эрбиевом волокне получили название EDFA.
Одна из возможных схем усилителя приведена на рис. 8. Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным эрбием (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположенной стороны, с более короткой длиной волны накачки. Свет от лазера накачки - волна накачки (б) - возбуждает атомы примесей. Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого оптического сигнала происходит индуцированный переход атомов примеси из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же фазой, что и повлекший это сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала активную область оптического усилителя.
| Рис.21. Схема волоконно-оптического усилителя | Рис. 22. Зависимость коэффициента усиления EDFA при различных значениях мощности входного оптического сигнала от длины волны |
В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм.
Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны (рис. 9). При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала линейно растет с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения.
Например, если входной сигнал 1 мкВт (-30 дБм), то выходной сигнал может быть на уровне 1 мВт (0 дБм), что соответствует усилению в 30 дБ. Но при большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления. Например, на той же длине волны входной сигнал 1 мВт приведет к генерации выходного сигнала 20 мВт в режиме насыщения, что будет соответствовать коэффициенту усиления всего лишь 13 дБ.
Характерным для оптических усилителей является широкополосный собственный шум. Этот шум, которого избежать невозможно, главным образом связан со спонтанным излучением возбужденных атомов примеси.
9
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
