Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

8.5. Решетки Брэгга и волоконно-оптические решетки Брэгга (FBG)

На рис. 8.6 приведена модель, которую мы будем использовать для

описания принципа работы дифракционной решетки Брэгга. Решетка Брэгга

является последовательностью полуотражающих параллельных пластин. Эти

пластины отделены одна от другой на расстояние d. Свет, состоящий из не-

скольких или большого числа длин волн, входит с левой стороны. В зависи-

мости от расстояния d будет наблюдаться отражение одной или нескольких

длин волн. Этот отраженный свет выходит также с левой стороны, тогда как

остальная группа длин волн света выйдет с правой стороны. Условия точного

отражения длин волн, или условия Брэгга таковы:





 (8.4)

где п — произвольное число, а



- длина волны отраженного канала; d -

представляет собой шаг, или период брэгговской решетки, который должен

быть целым кратным половины длины волны. Отрицательный знак означает

отражение, а п — означает порядок решетки Брэгга. Когда п = 1 (первый

порядок), имеем d =



/2, а при п = 2 (второй порядок), имеем d =



Решетка Брэгга дает возможность получить прекрасный полосовой фильтр.

Рис. 8.6. Модель дифракционной решетки Брэгга (основана на концепции,

приведенной в [8.2, 8.3])

Волоконная решетка Брэгга (FBG) состоит из отрезка оптического

волокна, показатель преломления которого периодически изменяется по

длине волокна. Эти изменения показателя преломления моделируют

структуру решетки Брэгга. Общий метод изготовления FBG состоит в том,

что волокно подвергается интенсивному ультрафиолетовому облучению

через шаблон, который имеет период, равный периоду решетки, подлежащей

изготовлению. Когда германий-силикатная сердцевина волокна

экспонируется интенсивным светом, прошедшим через шаблон, в ней

формируются структурные дефекты и, следовательно, возникают постоянные

изменения показателя преломления. Они имеют ту же периодичность, что и

облучаемый ультрафиолетом шаблон.

Рис. 8.7. Иллюстративная модель волоконной решетки Брэгга. Для окна 1550

нм, d может быть в диапазоне от 1 до 10 мкм.

На рис. 8.7 схематично показана структура волоконной решетки Брэгга.

Для наглядности и лучшей иллюстрации композиции и структуры, размеры

волокна и период решетки были намеренно увеличены.

Другой метод формирования отражательной решетки Брэгга основан

на многослойной (стековой) диэлектрической структуре, составленной из

слоев толщиной /4. Она известна как фотонная решетка, каждая с

различным коэффициентом преломления. Такие решетки отражают длины

волн для всех возможных углов падения, причем они не поглощают энергию

падающего луча, как это делают отражатели на зеркалах [83].

FBG широко используются вместе с оптическими циркуляторами,

обычно в оптических мультиплексорах ввода-вывода (OADM), где FBG

обратно отражает только те длины волн, для которых она была

спроектирована. Остальная часть агрегатного потока длин волн может после

этого быть передана другой комбинации циркулятору-FBG , для того, чтобы

выделить другую длину волны, и т. д. Этот принцип показан на рис. 8.8. FBG

могут быть использованы как полосовые фильтры, интерференционные

фильтры, компенсаторы хроматической дисперсии, а также для

выравнивания выходной характеристики усилителей EDFA.

Рис. 8.8. Комбинация: циркулятор-решетка FBG выделяет канал с одной не-

сущей из агрегатного канала, за которым следует аналогичная комбинация,

выделяющая другой канал. FBG - волоконная решетка Брэгга

FBG чувствительны к изменению температуры, независимо от перио-

дичности или ширины полосы. Их обычно размещают в специальных тер-

мостатах.

В табл. 8.1 приведены типовые параметры и характеристики промыш-

ленно выпускаемых FBG. В конфигурациях DWDM предметом особой за-

боты является перекрестная помеха. На рис. 8.9 приведена типичная харак-

теристика полосового фильтра демультиплексора. При шаге в 50 ГГц помеха

от соседнего канала подавляется примерно на 30 дБ.

Таблица 8.1

Спецификация полосового фильтра на волоконной решетке Брэгга

Тип А (100 ГГц) Тип А (50 ГГц) Тип В Тип С

Применение

фильтр WDM

внешний

резонатор

подавление

ASE

Диапазон

длин волн

1530-1560 нм

полоса 980 нм

полоса 1310 нм

полоса 1480 нм

полоса 1550 нм

1525-1545 нм

Точность

длины волны

± 0,05 нм

Отражательная

способность

 99%  99%

от 1 до 99%

Оптическая

ширина

полосы

0,6 нм, FWHM

0,3 нм, FWHM

0,6 нм, FWHM

10дБ

Подавление

перекрестной

помехи при

передаче

 30 дБ

 20 дБ

а)

 30 дБ

Подавление

перекрестной

помехи при

отражении

 30 дБ

 20 дБ

а)

 30 дБ

Упаковка

(1)покрытый УФ

акрилатом,

(2)стеклянный

корпус,

(3) с

температурной

компенсацией

(1)покрытый УФ

акрилатом,

(2) стеклянный

корпус,

(3)с

температурной

компенсацией

(1)покрытый УФ

акрилатом,

(2)стеклянный

корпус,

(3)с

температурной

компенсацией

(1)покрытый УФ

акрилатом,

(2) стеклянный

корпус,

(3)с

температурной

компенсацией

а)

от соседнего канала

Источник. С разрешения компании Sumitomo Electric Lightwave Corp.,

[8.4]

Рис. 8.9. Характеристики полосового фильтра на дифракционной решетке

Брэгга. (С разрешения компании Sumitomo Electric Lightwave Corp., [8.4])

8.5.1. Некоторые характерные применения FBG

8.5.1.1. Уникальные фильтрующие свойства FBG

Существует ряд приложений, где используются свойства оптической

фильтрации FBG, позволяющие выделять определенные длины волн. В

простейшей форме оптическая дифракционная решетка работает как

рефракционный фильтр, центральная длина волны которого может

управляться путем изменения периода решетки, а полоса пропускания может

подстраиваться путем изменения удельной плотности полос решетки и

небольшой частотной модуляцией периода решетки.

Еще одним применением FBG является стабилизирующий фильтр.

Усилитель EDFA сделал возможным практическую реализацию систем

WDM. Различные устройства, использованные для мультиплексирования и

демультиплексирования световой волны, являются пассивными и имеют

потери, даже большие потери (например, такие как 20 дБ на устройство).

Усилители EDFA компенсируют эти потери. Более того, они могут

осуществить компенсацию всего агрегатного потока каналов WDM, тогда как

регенератор должен был бы осуществлять эту работу поканально.

Предположим, что мы имеем агрегатный поток, сформированный из 32

каналов. Для его регенерации с помощью одного регенератора последова-

тельно, нам пришлось бы долго ждать; если делать это параллельно, то при-

шлось бы использовать 32 регенератора. Хорошая новость в нашем случае

состоит в том, что с этой работой справится один усилитель EDFA. Плохая -

в том, что мы хотели бы получить на выходе один и тот же (в пределах

разумного) уровень для каждого из 32 каналов.

На показатели усилителя EDFA оказывают влияние характеристики

лазерных диодов накачки. На характеристики лазера накачки часто

оказывают влияние нежелательные внешние отражения, направленные

обратно в резонаторную полость лазера, а также флуктуации температуры и

тока инжекции. Введение фильтра стабилизатора накачки на основе FBG,

решило эту проблему путем запирания излучения волн длиной 980 и 1480 нм

у лазеров накачки и обеспечения невосприимчивости к скачкам спектральной

моды, вызванным изменениями температуры, тока возбуждения и

оптической обратной связи. Ключевой характеристикой фильтра

стабилизатора накачки на основе FBG является его полоса пропускания и

отражательная способность по отношению к характеристикам лазеров

накачки и данному конкретному приложению.

8.5.1.2. Фильтры выравнивания волновой характеристики

Фильтр выравнивания волновой характеристики - еще одно

применение FBG. Учитывая, что усиление EDFA имеет тенденцию

изменяться на выходе в спектральной полосе 1530-1560 нм, необходимо

выровнять усиление в пределах этого спектрального окна путем

использования фильтров выравнивания на основе FBG. Из трех основных

спектральных окон, эти фильтры позволяют уменьшить вариации усиления в

окне, где используются EDFA, улучшая, таким образом, характеристику и

упрощая конструкцию систем WDM.

Рис. 8.10. Применение фильтров DWDM на основе волоконных решеток

Брэгга, (а) интерферометр Майкельсона, (б) интерферометр Маха-

Цендера, (в) конфигурация, допускающая ввод-вывод оптической несущей.

(См. Lightwave [8.10], рис. 2, стр. 191)

8.5.1.3. Использование FBG для компенсации хроматической

дисперсии

Хроматическая дисперсия является одной из двух главных причин

ухудшения передачи света на гигабитных скоростях. Она уже обсуждалась

нами в разделе 6.3. Общий подход, используемый для компенсации этого

типа искажений, состоит в том, чтобы пропустить световой сигнал через

устройство, дающее такой же уровень искажений, но противоположного

знака, компенсируя, тем самым, накопленную хроматическую дисперсию.

Компенсация может осуществляться как в каком-то одном канале, так и во

всей полосе DWDM, используя, например, очень длинную дифракционную

чирп-решетку.

На рис. 8.10 приведены фильтры DWDM, основанные на волоконных

решетках Брэгга, в конфигурациях оптических мультиплексоров ввода-

вывода.

8.6. Фильтры на тонких пленках

Тонкопленочные фильтры используют многослойные покрытия

диэлектрических фильтров. Когда многоволновой сигнал падает на

поверхность фильтра, то каждый слой фильтра вынуждает различные длины

волн падающего сигнала отразиться или пройти через него, в зависимости от

длины волны и конструкции фильтра. Каждая длина волны, таким образом,

вносит конструктивный или деструктивный вклад в проходящий сигнал.

Соответствующие длины волн такого сигнала или исчезали, или сохранялись,

проходя до самого выхода [8.1]. Такие фильтры, обычно, имеют большое

число слоев, так, что их характеристиками пропускания можно достаточно

жестко управлять. Это позволяет передавать (пропускать) относительно

узкую полосу длин волн, или, даже, одну длину волны.

Потери при прохождении через разветвитель 12 составляют примерно

4 дБ, из которых 3 дБ являются потерями от деления мощности пополам.

Разница в 1 дБ соответствует вносимым потерям самого устройства. Когда

число выходных портов растет, соответственно этому растут и потери на

разветвление. Так разветвитель 116 имеет потери между входным и вы-

ходным портами равные 14,5 дБ. Эти потери могут быть аппроксимированы

следующей формулой:

Потери [дБ] = 0,5 + 3,5 log

N, (8.5)

где N — число выходных портов [8.1].

Такой подход мог бы быть использован для расчета входных каналов

перед детектированием в приемнике. Следовательно, бюджет линии связи

должен быть приспособлен к таким потерям. Одним из путей

компенсировать потери может быть использование усилителя EDFA на

агрегатном сигнале непосредственно перед демультиплексированием.

Тонкопленочная технология плохо приспособлена для систем с

плотной упаковкой каналов (например, для шага между несущими 50 ГГц).

Однако, тонкопленочные фильтры обеспечивают достаточно узкую полосу

пропускания для использования с мультиплексорами-демультиплексорами

систем WDM, имеющих 16-32 канала. При большей плотности каналов в

системах используются другие технологии.

8.6.1. Оптические фильтры — подведение итогов

Оптические фильтры, обычно, достаточно малы. Их можно встраивать

в оптические разъемы, адаптеры и даже в оптическое волокно. Некоторые

типичные значения характеристик такого встроенного фильтра, работающего

в полосе 1550-1625 нм, приведены ниже:

- вносимые потери: < 1,0 — 1,5 дБ;

- коэффициент изоляции длин волн:  35 дБ;

- возвратные потери: 40 дБ

- рабочая температура: -20°С — +70°С.

8.7. Дифракционная решетка на массиве волноводов

Дифракционная решетка на массиве волноводов (AWG) является

интегрированным подходом к проблеме демультиплексирования. Решетка

состоит из фазированного массива оптических волноводов, работающих соб-

ственно как дифракционная решетка.

Рис. 8.11. Принципиальная схема маршрутизатора на волноводной решетке.

Этот тип решетки можно изготовить, используя технологию

InGaAsP/InP, позволяющую интегрировать такие типы направляющих

волноводов с передатчиком или приемником WDM. Иллюстрацией AWG

является рис. 8.11. Как показано на рисунке, входящий WDM сигнал

разветвляется в массив планарных волноводов, после прохождения через

секцию (звездообразного) разветвителя. При прохождении волны в каждом

отдельном волноводе, она имеет на выходе определенный и отличный от

других фазовый сдвиг, ввиду различной длины отдельных волноводов.

Учитывая частотную зависимость постоянной распространения моды,

фазовый сдвиг оказывается зависимым от длины волны. В результате,

различные каналы фокусируются на различные пространственные пятна,

когда выход волноводов дифрагирует через другую секцию разветвителя.

Как можно видеть, AWG работает как обычная дифракционная решетка (для