Оптические разветвители

1. Оптический  разветвитель (optical splitter).

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

Различают направленные и  двунаправленные разветвители, а  также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.

1. Виды  оптических разветвителей.

Основные категории оптических разветвителей следующие: древовидный разветвитель; звездообразный разветвитель; ответвитель.

1. Древовидный разветвитель (tree coupler).

Древовидный разветвитель (разветвитель Y-типа) осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию - объединение нескольких сигналов в один выходной (рис. 1 а).

Рисунок 1. Типы разветвителей: а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель; в) ответвитель

Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени  между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как n x m, где n - число входных полюсов (для древовидного разветвителя n = 1), а m - число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В поставляемых в настоящее время моделях количество выходных портов может находиться в пределах от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные. Поэтому разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов. Передаточные параметры для разных выходных полюсов разветвителя стремятся делать более близкими друг другу.

2. Звездообразный  разветвитель (star coupler).

Звездообразный разветвитель (разветвитель Х-типа) 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. Большее распространение получили звездообразные разветвители 2x2 и 4x4. Во избежание путаницы по входным и выходным полюсам, принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса - цифрами, рис. 1 б. Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами.

3. Ответвитель (tap).

Ответвитель - это обобщение  древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно  в равной пропорции между выходными  полюсами, рис.1 в. Конфигурации ответвителей бывают 1x2, 1x3, 1x4, 1x5, 1x6, 1x8, 1x16, 1x32. Некоторая  доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности.

 

3. Характеристики  оптических разветвителей.

Следуя рис. 1 б, введем следующие обозначения:

P_i – мощность оптического сигнала, приходящего на полюс i (например, на порт d)

P_i,j -  мощность, регистрируемая на выходном полюсе j при условии поступления сигнала на входной полюс i (например, на порт 1).

Следующие три набора параметров считаются основными при описании разветвителя.

Коэффициенты передачи или вносимые потери (insertion loss) определяют потери мощности сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов. Коэффициенты передачи определяются соотношением a_ins(i,j) = -10lg(P_i,jj/P_i) дБ.

Индексы i, j пробегают значения номеров входных и выходных полюсов соответственно, например i = a, j = 1.

Коэффициент направленности является мерой того, как хорошо разветвитель передает мощность в предназначенные выходные полюса. Он показывает интенсивность нежелательного обратного сигнала, возникающего на другом полюсе из входной группы полюсов, и определяется как b_dir(i,j) = 10lg(P_i,j/P_i) дБ. Индексы i, j относятся к одной группе полюсов, например i = 2, j = 3, или i = a, j = c (рис. 1 б). Для точного измерения коэффициента направленности, необходимо подавить влияние обратного рассеяния от соединителей в последующем канале. Для этой цели волокна всех полюсов за исключением i, j помещают в светопоглощающую иммерсионную жидкость с коэффициентом преломления, близким к оптическому волокну, рис. 2 а. Мощность, отраженная обратно, проходит через ответвитель. Ответвитель выбирается таким образом, чтобы подавляющая часть обратного сигнала направлялась в приемник. Перед этими измерениями ответвитель градуируется.

Потери на обратном рассеянии b_bs(i) = 10lg(P_ii/P_i) дБ. Здесь P_ii – регистрируемая выходная мощность на полюсе i при условии подачи сигнала на этот же полюс. Этот коэффициент схож с коэффициентом обратных потерь в оптических соединителях. Процедура измерения потерь на обратном отражении во многом аналогична измерению коэффициента направленности - все полюса за исключением i-го помещаются в поглощающую жидкость (рис. 2 б).

Коэффициенты передачи принимают  положительные значения и характеризуют  эффективность передачи в прямом направлении. Коэффициенты направленности и потерь на обратном рассеянии принимают отрицательные значения и характеризуют нежелательные обратные сигналы. При изготовлении разветвителей стремятся достичь как можно меньших (более отрицательных) значений для коэффициентов направленности и потерь на обратном рассеянии.

 

Рисунок 2. Измерение: а) коэффициента направленности; б) потерь на обратном отражении.

Наиболее общий способ представления данных о разветвителе основан на построении матрицы потерь. Для разветвителя nxn экспериментальным образом замеряются все приведенные выше коэффициенты, и строится матрица размером 2nx2n. Пример матрицы разветвителя 4x4 (рис. 1 б) приведен в табл. 1.

Таблица 1. Типовая матрица потерь a_i,j, дБ

Вход (i)	Выход (j)
	a	b	c	d	1	2	3	4
a	-45,5	-48,5	-47,2	-49,7	6,8	6,9	6,7	6,7
b	-47,6	-46,1	-47,4	-49,7	6,9	6,8	6,8	6,6
c	-49,8	-47,6	-45,9	-46,9	6,6	6,8	6,8	6,7
d	-50,5	-48,2	-48,9	-46,2	6,6	6,7	6,8	6,7
1	6,7	6,8	6,9	6,7	-47,1	-47,3	-48,9	-46,6
2	6,7	6,8	6,8	6,7	-47,8	-46,5	-49,7	-48,3
3	6,7	6,9	6,8	6,7	-48,3	-46,5	-47,7	-48,5
4	6,7	6,6	6,9	6,8	-47,3	-46,7	-49,1	-47,9

 

На диагонали матрицы  стоят коэффициенты потерь на обратном рассеянии, где в качестве канала входной последовательно выбираются полюса от a до 4. Из оставшихся числа в диапазоне 6,6÷6,9 дБ соответствуют коэффициентам передачи, остальные - коэффициентам направленности.

Разветвитель с приведенной  матрицей можно охарактеризовать следующим  образом:

• максимальные вносимые потери на выходном полюсе 6,9 дБ;
• неоднородность (разность между максимальным (6,9 дБ) и минимальным (6,6 дБ) значением коэффициента передачи) 0,3 дБ;
• минимальное значение коэффициента направленности -48,5 дБ;
• минимальное значение потерь на обратном рассеянии -46,2 дБ.

 

Полные избыточные потери определяются как , где знаменатель дроби под логарифмом соответствует входному сигналу на входном полюсе i, а числитель суммарному полезному выходному сигналу. Этот параметр - общая характеристика работы разветвителя.

Рабочий диапазон длин волн (passband) - диапазон длин волн, в пределах которого определена работа разветвителя. Чем шире диапазон, тем меньше зависимость вносимых потерь разветвителя от длины волны. Разветвители, имеющие большой рабочий диапазон длин волн, называются ахроматическими (achromatic). Лазеры без охлаждения и светоизлучающие диоды требуют полосы пропускания ± 35 нм в окрестности несущей длины волны. Для поддержания такого диапазона оптический разветвитель должен быть ахроматическим.

Потери на разветвлении (splitting loss) - это потери, связанные с тем, что мощность естественным образом распределяется между выходными полюсами. Для идеального разветвителя (1xn) с n выходными полюсами, в предположении равенства взаимного равенства мощностей между ними всеми выходными портами, потери на разветвлении определяются соотношением a_SL =-10lg(1/n). Это - минимальное значение, присущее идеальному разветвителю с симметричными выходными полюсами. Так, для разветвителя 4x4 потери a_SL = 6,02 дБ (сравните с таблицей).

Соотношение разветвления (splitting ratio) описывает, каким образом свет распределяется между выходными полюсами. Эта характеристика, свойственная оптическим ответвителям, может быть выражена как в виде набора коэффициентов передачи по выходным полюсам (частный случай матрицы потерь), так и в виде процентной пропорции мощностей по выходным полюсам, где за 100% принята суммарная выходная мощность.

В табл. 2 приведена номенклатура оптических ответвителей, рассчитанных на одномодовое волокно, производства ADC Telecommunications.

Таблица 2. Номенклатура оптических ответвителей под одномодовое волокно.

 

Код ответвителя	Тип ответвителя	Соотношение разветвления (%)	Коэффициенты передачи (дБ, max)	Коэффициенты передачи (дБ, типовое)
200	1x2	50/50	3,7/3,7	3,1/3,1
201	(3) 1x2	(50/50)x3	(3,7/3,7) x3	(3,1/3,1) x3
210	1x2	55/45	3,2/4,1	2,7/3,6
220	1x2	60/40	2,7/4,7	2,3/4,1
230	1x2	65/35	2.3/5.3	2.0/4.7
240	1x2	70/30	2,0/6,0	1,7/5,4
250	1x2	75/25	1,6/6,8	1,4/6,2
260	1x2	80/20	1,3/7,8	1,1/1,7
270	1x2	85/15	1,0/9,2	0,8/8,4
280	1x2	90/10	0,8/11,2	0,6/10,2
290	1x2	95/5	0,5/14,4	0,4/13,2
305	1x3	70/15/15	2,0/9,7/9,7	1,7/8,5/8,5
310	1x3	60/20/20	2,7/8,4/8,4	2,3/7,2/7,2
320	1x3	55/25/20	3,2/7,3/8,2	2,7/6,3/7,2
330	1x3	50/30/20	3,7/6,4/8,4	3,1/5,4/7,2
340	1x3	50/25/25	3.7/7.4/7.4	3,1/6,2/6,2
350	1x3	40/40/20	5,0/5,0/7,3	4,2/4,2/7,1
360	1x3	40/35/25	5.0/5.3/7.0	4.3/4.7/6.1
370	1x3	40/30/30	4,7/6,4/6,4	4,1/5,4/5,4
380	1x3	35/35/30	5,7/5,7/6,0	4,8/4,8/5,4
390	1x3	33/33/33	5,9/5,9/5,9	5,0/5,0/5,0
391	(2) 1x3	(33/33/33) x2	(5,9/5,9/5,9) x2	(5,0/5,0/5,0) x2
410	1x4	40/30/15/15	4,7/6,4/10,1/10,1	4,1/5,4/8,5/8,5
420	1x4	40/25/20/15	4,9/7,0/8,2/10	4,2/4,3/7,3/8,8
430	1x4	40/20/20/20	4,9/8,4/8,4/8,4	4,2/7,2/7,2/7,2
440	1x4	35/35/15/15	5,7/5,7/9,7/9,7	4,8/4,8/8,5/8,5
450	1x4	35/25/25/15	5,7/7,4/7,4/9,7	4,8/6,2/6,2/8,5
460	1x4	35/25/20/20	5,4/7,4/8,4/8,4	4,6/6,4/7,2/7,2
470	1x4	30/30/20/20	6,4/6,4/8,4/8,4	5,4/5,4/7,2/7,2
480	1x4	30/25/25/20	6,4/7,4/7,4/8,4	5,4/6,2/6,2/7,2
490	1x4	25/25/25/25	7,4/7,4/7,4/7,4	6,2/6,2/6,2/6,2
510	1x5	25/25/20/15/15	7,4/7,4/8,4/10,1/10,1	6,2/6,2/7,2/8,5/8,5
520	1x5	25/20/20/20/15	7,0/8,6/8,6/8,6/10	6,1/7,3/7,3/7,3/8,8
530	1x5	20/20/20/20/20	8,6/8,6/8,6/8,6/8,6	7,3/7,3/7,3/7,3/7,3
610	1x6	20/20/15/15/15/15	8,4/8,4/10,1/10,1/10,1/10,1	7,2/7,2/8,5/8,5/8,5/8,5
800	1x8	12.5/12.5/...12.5	11,3/11,3/...11,3	9,5/9,5/...9,5
116	1x16	6,25/6,25/...6,25	14,9/14,9/...14,9	12,7/12,7/...12,7
132	1x32	3,13/3,13/...3,13	18,5/18,5/...18,5	15,8/15,8/...15,8

4. Технологии  производства оптических разветвителей.

На сегодняшний день существуют две основные технологии изготовления делителей оптического сигнала и соответственно два типа оптических разветвителей:

• Планарные оптические разветвители (английский термин Planar Lightwave Circuit splitter, PLC splitter)
• Сплавные оптические разветвители (английский термин Fused Biconic Taper splitter, FBT splitter)

Технология изготовления планарных оптических сплиттеров (PLC splitter):

Планарные сплиттеры производятся методом химического осаждения  оптического материала на кремниевой поверхности в несколько слоев  с вытравливанием на одной из стадии через маску планарного световода  требуемой конфигурации и оптической плотности. Планарный световод находится  между пластинами оптического материала  и играет роль сердцевины — по нему передается оптическая мощность. Фактически создается кристалл или микросхема, состоящая из кремневой пластины и оптических материалов, обеспечивающая равномерное разделением оптической мощности по схеме 1×2, то есть создается Y-образный оптический разветвитель. Необходимое количество разветвлений PLC сплиттера достигается сочетанием делителей 1x2 (рис. 3).

Рисунок 3. PLC сплиттер.

Разветвление оптического сигнала  по схеме больше чем один к двум с использованием планарных сплиттеров осуществляется при помощи каскадной  схемы.

 Оптические сплиттеры, изготавливаемые  по пленочной технологии, используются  на практике в основном для  равномерного разделения оптического  сигнала, так как используя  данную технологию достаточно  сложно добиться устойчивого  неравномерного разделения оптической  мощности.

Создание PLC сплиттеров с использованием современной технологии позволяет  создавать изделия, устойчиво работающие в широком спектральном диапазоне  от 1260 нм до 1650 нм, что является их большим  преимуществом. Однако у оптических разделителей PLC типа оптические потери на обратное отражение выше, чем у оптических разделителей сплавного типа.

Технология изготовления сплавных оптических разделителей (FBT splitter):

Сварные оптические разветвители изготовляются  методом сплавления оптических волокон. При сплавлении двух волокон образуется два конуса (при вводе и выводе), поэтому сплавные оптические разветвители получили название биконических разветвителей.