Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 3 ОПТИЧЕСКИЕ РАЗЪЕМЫ, СРОСТКИ И ПАССИВНЫЕ

ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

3.1. Введение

Цель этой главы - описать различные пассивные устройства,

используемые в волоконно-оптических сетях. Существует пять основных

типов волоконно-оптических сетей. (Классификация автора отличается от

общепринятой):

1. Глобальные сети (с большой длиной пролета) общего или частного

пользования.

2. Офисные сети и сети масштаба предприятия, называемые также

внутриобъектными сетями.

3. Местные распределительные сети, включающие сети кабельного

телевидения (КТВ), в частности, сети, использующие гибридные (с

медными и оптическими жилами) кабели.

4. Региональные сети (класса «Метро», MAN), осуществляющие

передачу данных аналогично тому, как это делается в сетях

масштаба предприятия: сети либо доставляют данные локально, либо

передают потоки данных по всему региону.

5. Сети специального назначения, обычно передающие сигнал на очень

короткие расстояния.

Каждый тип сети требует использования определенного числа как об-

щих, так и специальных типов пассивных устройств. Например, кабельные

телевизионные сети широко используют разветвители.

WDM/DWDM сети используют широкую номенклатуру специальных

пассивных устройств. Мы опишем их в соответствующей главе о WDM (гл.

8).

В этой главе мы в первую очередь опишем волоконно-оптические

соединители (оптические разъемы) и неразъемные соединения (сростки).

Также будут рассмотрены следующие пассивные устройства:

- оптические разветвители, расщепители сигнала (сплиттеры),

элементы разветвления потока;

- оптические изоляторы;

- волоконно-оптические фильтры;

- оптические аттенюаторы;

- оптические (пассивные) коммутаторы;

- пассивные компенсаторы (хроматической) дисперсии;

- оконечные (терминирующие) элементы.

Каждое устройство, используемое в схеме передачи светового сигнала,

является источником вносимых потерь. Оно также будет источником отра-

жений, обычно характеризуемых потерями на отражение. Эти потери обычно

измеряются в децибелах. За исключением аттенюаторов, хотелось бы иметь

как можно более низкие вносимые потери и как можно более высокие потери

на отражение (возвратные потери). Например, хочется иметь сростки с

уровнем вносимых потерь меньше, чем 0,1 дБ, но с уровнем возвратных

потерь больше, чем 40 дБ.

3.2. Основные определения

3.2.1. Элемент, ответвляющий поток (неселективный по

отношению к длине волны)

Ответвителем является неселективный пассивный элемент,

обладающий тремя или более портами и распределяющий мощность между

ними в определенном соотношении без какого-либо усиления, переключения

или какой-то модуляции.

3.2.2. Оптический разветвитель (сплиттер — комбайнер)

Термин разветвитель используется как синоним элемента

ответвляющего поток. Он используется также для определения структуры,

распределяющей оптическую мощность между двумя оптическими

волокнами или между активным устройством и волокном.

3.2.3. Аттенюатор

Аттенюатор - пассивный элемент, осуществляющий управляемое

ослабление сигнала в волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП).

3.2.4. Волоконно-оптический фильтр

Фильтр — пассивный элемент, используемый для модификации

проходящего через него оптического излучения, как правило, за счет

изменения спектрального распределения мощности. В частности, волоконно-

оптические фильтры обычно используют для отсечения или поглощения

оптического излучения в определенных областях длин волн и пропускания

излучения на других длинах волн.

3.2.5. Волоконно-оптический изолятор

Изолятор — оптическое устройство, не обладающее свойством

взаимности, предназначенное для подавления обратного отражения в ВОЛП

и имеющее минимальные вносимые потери в прямом направлении.

3.2.6. Волоконно-оптический терминатор

Терминатор (оконечный элемент) — элемент, используемый для

терминирования оптоволокна (оконцованного или нет) с целью подавления

отражения.

3.2.7. Волоконно-оптический переключатель (коммутатор)

Переключатель (коммутатор) — пассивный элемент, имеющий один

или больше портов, которые передают, блокируют или перенаправляют опти-

ческую мощность в одно из волокон ВОЛП.

3.2.8. Пассивный компенсатор (хроматической) дисперсии

Компенсатор — пассивный элемент, используемый для компенсации

хроматической дисперсии одного из оптических трактов.

3.2.9. Волоконно-оптический соединитель (оптический разъем)

Оптический разъем — элемент, прикрепленный к одному из

оптических кабелей или отдельной части оборудования для осуществления

частых соединений/разъединений оптических волокон или кабелей.

3.2.10. Сращивание оптических волокон

Сращивание — постоянное (неразъемное) или полупостоянное

(разбираемое, с технологическим зазором) соединение между двумя

оптическими волокнами, осуществляемое для объединения (в непрерывный

канал передачи) их оптических потоков. Различают:

- сварное соединение: сращивание, при котором концы волокна

соединяются в постоянное непрерывное соединение с помощью сварки;

- механическое соединение: сращивание, при котором концы волокна

соединяются в постоянное (непрерывное или с технологическим зазором)

соединение без помощи сварки.

3.3. Определение функциональных параметров

(За основу взят стандарт ITU-T G.671, Раздел 3.2)

3.3.1. Вносимые потери (IL)

Вносимые потери - уменьшение оптической мощности между входным

и выходным портами пассивного элемента в дБ, определяемое как

10log( / )

LPP



 (3.1)

где

P — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а

P — оптическая

мощность, полученная из выходного порта.

Замечание 1. Для волоконно-оптического элемента ветвления они

соответствуют элементу а

(где i



j) логарифмической матрицы передачи

(см. 1.3.7 в IЕС 875-1).

Замечание 2. Для устройства WDM они соответствуют элементу а

(где i



j) логарифмической матрицы передачи и должны быть определены

для каждой рабочей длины волны.

Замечание 3. Для волоконно-оптического переключателя

(коммутатора) они соответствуют элементу а

(где i



j) логарифмической

матрицы передачи и зависят от состояния переключателя (коммутатора) (см.

1.3.9 в IEC 876-1).

Замечание 4. Для волоконно-оптического фильтра они должны быть

определены для каждого рабочего диапазона длин волн.

Вносимые потери являются отношением оптической мощности,

подаваемой на входной порт соответствующего оптического устройства, к

оптической мощности, излучаемой из любого выходного порта, выраженной

в дБ. Вносимые потери включают такие параметры, как потери на разветвле-

ние, в случае разветвителей, для других устройств ветвления мы используем

понятие дополнительные потери. Эти потери являются наиболее полезными

параметрами при проектировании систем. Максимальные и минимальные

вносимые потери являются соответственно верхним и нижним пределами

вносимых потерь рассматриваемого устройства и применяются во всем

диапазоне длин волн, определенном для данного фильтра. Под типичными

вносимыми потерями понимается ожидаемое значение вносимых потерь,

измеренное для определенной центральной длины волны. Институт IEEE (см.

[3.10]) определяет вносимые потери, как «полные потери оптической

мощности, вызванные внесением/наличием такого оптического элемента, как

оптический разъем, сросток или разветвитель».

3.3.2. Возвратные потери (RL)

Возвратные потери — часть входной мощности, которая возвращается

из входного порта пассивного элемента. Они определяются, как

10log( / )

LPP



 (3.2)

где

P — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а

P — оптическая

мощность, полученная обратно из того же порта.

Замечание. Для определенности, величина возвратных потерь для

волоконно-оптических устройств не учитывает вклад от возвратных потерь

оптических разъемов, этот вклад рассматривается отдельно. См. также

Замечания к разделу 3.3.1.

3.3.3. Отражательная способность

Отражательная способность — отношение R отраженной мощности

P к падающей мощности

P , определенное для данного порта пассивного

элемента при заданных условиях спектрального распределения, поляризации

и геометрического распределения, выраженное в дБ, а именно:

10log( / )



 (3.3)

При рассмотрении мощности, отраженной от отдельного элемента,

отражательная способность является более предпочтительным параметром

по сравнению с возвратными потерями. Для определенности, величина отра-

жательной способности волоконно-оптического устройства не включает

вклад отражательной способности оптических разъемов, этот вклад

рассматривается отдельно.

3.3.4. Предварительное обсуждение направленности, возвратных

потерь и отражательной способности

Направленность - отношение оптической мощности, вводимой во

входной порт, к оптической мощности, возвращаемой от любого другого

порта. Направленность рассматривается как характеристика изоляции, или

перекрестной помехи, на ближнем конце. Возвратные потери являются

отношением оптической мощности, вводимой во входной порт, к оптической

мощности, которая возвращается из того же порта. Как направленность, так и

возвратные потери, выражаются в дБ (они рассматриваются как

положительные значения) и измеряются при условии оптического

терминирования всех других портов. Отражательная способность фактически

является возвратными потерями, взятыми с обратным знаком. Во многих

случаях эти два понятия используются как синонимы. Минимальные

направленность и возвратные потери являются теми нижними пределами,

которые применяются во всем диапазоне длин волн, определенном для

полосового фильтра.

3.3.5. Рабочий диапазон длин волн

Это диапазон длин волн от

mini



до

maxi



в пределах, задаваемых от

номинального



, внутри которого пассивные элементы должны работать с

определенными показателями ошибок.

Замечание 1. Для волоконно-оптических элементов ветвления,

использующих более одного рабочего диапазона длин волн,

соответствующие диапазоны длин волн не обязательно одинаковы.

Замечание 2. Элементы, такие как аттенюаторы, терминаторы,

оптические разъемы и сростки, могут работать с определенными (или

приемлемыми) показателями ошибок даже за пределами определенной для

них области применения.

3.3.6. Потери, зависящие от поляризации (PDL)

Эти потери соответствуют максимальной вариации вносимых потерь,

вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на

множестве всех возможных состояний поляризации.

3.3.7. Зависимость отражательной способности от поляризации

Эти потери соответствуют максимальной вариации отражательной

способности, вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой

на множестве всех возможных состояний поляризации.

3.3.8. Обратные потери (степень изоляции) волоконно-оптических

изоляторов

Обратные потери — мера уменьшения оптической мощности (в дБ),

распространяющейся в обратном направлении, в результате установки

изолятора. Излучающим портом здесь является выходной порт изолятора, а

приемным портом - входной порт изолятора. Потери определяются

следующей формулой:





10log /

ob ib

LPP (3.4)

где

P — оптическая мощность, измеренная на входном порте изолятора,

когда мощность

P излучается в рабочий порт. При нормальной работе

P -

оптическая мощность, отраженная от устройств, установленных на удален-

ном конце оптической линии, и направленная обратно так, что попадает в

выходной порт изолятора, потери которого и измеряются.

3.3.9. Направленность

Для волоконно-оптических элементов ветвления, направленность

представлена значением a

— элемента логарифмической матрицы передачи

между двумя изолированными портами.

3.3.10. Однородность

Логарифмическая матрица передачи элементов ветвления может

содержать определенный набор коэффициентов, который конечен и

одинаков. В этом случае диапазон изменения этих коэффициентов а

(выраженный в дБ) именуется однородностью элементов ветвления.

3.3.11. Оптический порт

Портом является вход оптического волокна или оптического разъема

(присоединенного к оптическому элементу), используемый для ввода

оптической мощности.

3.3.12. Матрица передачи волоконно-оптических устройств

ветвления и WDM-устройств

Оптические свойства волоконно-оптических устройств ветвления

могут быть определены в терминах матрицы коэффициентов пп, где n -

число портов, а коэффициенты представляют часть мощности, передаваемой

между назначенными портами. В общем случае матрица передачи Т имеет

вид:

11 12 1

....

.. .

nnn

tt t



























где

t - отношение оптической мощности

P , передаваемой из порта j, к

оптической мощности Р

, подаваемой на порт i. То есть,

ij ij i

tPP



Замечание. В общем случае

t может зависеть от длины волны.

3.3.13. Коэффициент передачи волоконно-оптических устройств

ветвления и WDM-устройств

Коэффициентом передачи является элемент

t матрицы передачи.

3.3.14. Логарифмический коэффициент матрицы передачи

волоконно-оптических устройств ветвления и WDM-устройств

В общем случае логарифмическая матрица передачи имеет вид

11 12 1

....

.. .

nnn

aa a



























где

a — коэффициент уменьшения оптической мощности (в дБ), выходящей

из порта j, при единичной мощности, приложенной к порту i, то есть,





10log

ij ij

at

где

t — коэффициент матрицы передачи (см. 1.3.6 в IEC 875-1).

3.3.15. Матрица передачи волоконно-оптических коммутаторов

Оптические свойства волоконно-оптического коммутатора могут

быть определены матрицей коэффициентов тп (где п — число портов).

Матрица Т отображает пути передачи в состоянии включено (передача в

расчете на худший случай), а матрица Т

— пути передачи в состоянии

выключено (изоляция в расчете на худший случай) (см. 1.3.6 в IEC 876-1).

11 12 1

....

.. .

nnn

tt t



























00 0

11 12 1

21 2

.. .

nnn

tt t































3.3.16. Коэффициенты передачи волоконно-оптических

коммутаторов

Коэффициентом передачи является элемент

t или

матрицы

передачи. Каждый коэффициент

t определяет минимальную (в расчете на

худший случай) часть мощности, переданную от порта i к порту j, для

любого состояния, при условии, что путь ij включен. Каждый коэффициент

t определяет максимальную (в расчете на худший случай) часть мощности,

переданную от порта i к порту j, для любого состояния, при условии, что

путь ij выключен.