Урядов В.Н. Оптические системы передачи. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

2. ОПТИЧЕСКИЕ РАЗЪЕМЫ, СРОСТКИ И ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ

УСТРОЙСТВА [8, 17]

2.1. Введение

Цель этой главы — описать различные пассивные устройства, используемые в

волоконно-оптических сетях. Существует пять основных типов волоконно-

оптических сетей:

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 теле-

видения (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 общих, так и

специальных типов пассивных устройств. Например, кабельные телевизионные

сети широко используют разветвители.

WDM/DWDM сети используют широкую номенклатуру специальных пас-

сивных устройств.

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 отражений, 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.

2.2. Основные определения

2.2.1. 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.

2.2.2. 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.

2.2.3. Аттенюатор

Аттенюатор — пассивный элемент, осуществляющий управляемое ослабление

сигнала в волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП).

2.2.4. 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.

2.2.5. 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.

2.2.6. Волоконно-оптический терминатор

Терминатор (оконечный элемент) — элемент, используемый для терминирования

оптоволокна (оконцованного или нет) с целью подавления отражения.

2.2.7. Волоконно-оптический переключатель (коммутатор)

Переключатель (коммутатор) — пассивный элемент, имеющий один или больше

портов, которые передают, блокируют или перенаправляют оптическую мощность в

одно из волокон ВОЛП.

2.2.8. Пассивный компенсатор (хроматической) дисперсии

Компенсатор — пассивный элемент, используемый для компенсации хрома-

тической дисперсии одного из оптических трактов.

2.2.9. 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.

2.2.10. Сращивание оптических волокон

Сращивание — постоянное (неразъемное) или полупостоянное (разбираемое, с

технологическим зазором) соединение между двумя оптическими волокнами,

осуществляемое для объединения 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 со-

единяются в постоянное соединение без помощи сварки.

2.3. Определение функциональных параметров

2.3.1. Вносимые потери (IL)

Вносимые потери — уменьшение оптической мощности между входным и

выходным портами пассивного элемента в дБ, определяемое как

),/log(10

PPIL = (2.1)

где — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а , — оптическая

мощность, полученная из выходного порта.

Замечание 1. Для волоконно-оптического элемента ветвления они соответ-

ствуют элементу (где ) логарифмической матрицы передачи.

ji ≠

Замечание 2. Для устройства WDM они соответствуют элементу (где

≠

)

логарифмической матрицы передачи и должны быть определены для каждой

рабочей длины волны.

Замечание 3. Для волоконно-оптического переключателя (коммутатора) они

соответствуют элементу (где

≠

) логарифмической матрицы передачи и

зависят от состояния переключателя (коммутатора).

Замечание 4. Для волоконно-оптического фильтра они должны быть опре-

делены 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 разветвление, 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

определяет вносимые потери, как «полные потери оптической мощности,

вызванные внесением/наличием такого оптического элемента, как оптический

разъем, сросток или разветвитель».

2.3.2. Возвратные потери (RL)

Возвратные потери — часть входной мощности, которая возвращается из

входного порта пассивного элемента. Они определяются, как

)/log(10

PPRL −= , (2.2)

где — оптическая мощность, вводимая во входной порт, а — 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.

2.3.3. Отражательная способность

Отражательная способность — отношение R отраженной мощности к

падающей мощности , определенное для данного порта пассивного элемента при

заданных условиях спектрального распределения, поляризации и геометрического

распределения, выраженное в дБ, а именно:

)./log(10

PPR −= (2.3)

При рассмотрении мощности, отраженной от отдельного элемента, отра-

жательная способность является более предпочтительным параметром по

сравнению с возвратными потерями. Для определенности, величина отражательной

способности волоконно-оптического устройства не включает вклад отражательной

способности оптических разъемов, этот вклад рассматривается отдельно.

2.3.4. Предварительное обсуждение направленности,

возвратных потерь и отражательной способности

Направленность — отношение оптической мощности, вводимой во входной

порт, к оптической мощности, возвращаемой от любого другого порта. На-

правленность 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.

2.3.5. Рабочий диапазон длин волн

Это диапазон длин волн от

mini

до

maxr

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.

2.3.6. Потери, зависящие от поляризации (PDL)

Эти потери соответствуют максимальной вариации вносимых потерь, вызванной

вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех возможных

состояний поляризации.

2.3.7. Зависимость отражательной способности от поляризации

Эти потери соответствуют максимальной вариации отражательной способности,

вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех

возможных состояний поляризации.

2.3.8. Обратные потери (степень изоляции) волоконно-оптических изоляторов

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

раняющейся в обратном направлении, в результате установки изолятора. Излучающим

портом здесь является выходной порт изолятора, а приемным портом — входной порт

изолятора. Потери определяются следующей формулой:

),/log(10

ibob

PPBL −= (2.4)

где - оптическая мощность, измеренная на входном порте изолятора, когда

мощность излучается в рабочий порт. При нормальной работе — оптическая

мощность, отраженная от устройств, установленных на удаленном конце оптической

линии, и направленная обратно так, что попадает в выходной порт изолятора, потери

которого и измеряются.

2.3.9. Направленность

Для волоконно-оптических элементов ветвления, направленность представлена

значением а — элемента логарифмической матрицы передачи между двумя

изолированными портами.

2.3.10. Однородность

Логарифмическая матрица передачи элементов ветвления может содержать

определенный набор коэффициентов, который конечен и одинаков. В этом случае

диапазон изменения этих коэффициентов (выраженный в дБ) именуется

однородностью элементов ветвления.

2.3.11. Оптический порт

Портом является вход оптического волокна или оптического разъема (при-

соединенного к оптическому элементу), используемый для ввода оптической

мощности.

2.3.12. Матрица передачи волоконно-оптических устройств

ветвления и WDM-устройств

Оптические свойства волоконно-оптических устройств ветвления могут быть

определены в терминах матрицы коэффициентов п х п, где п - число портов, а

коэффициенты представляют часть мощности, передаваемой между назначенными

портами. В общем случае матрица передачи T имеет вид:

где — отношение оптической мощности , передаваемой из порта j, к

оптической мощности , подаваемой на порт i. То есть,

iijij

PPt =

Замечание. В общем случае может зависеть от длины волны.

2.3.13. Коэффициент передачи волоконно-оптических устройств ветвления и

WDM-устройств

Коэффициентом передачи является элемент матрицы передачи.

2.3.14. Логарифмический коэффициент матрицы передачи волоконно-

оптических устройств ветвления и WDM-устройств

В общем случае логарифмическая матрица передачи имеет вид

где — коэффициент уменьшения оптической мощности (в дБ), выходящей из

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

),log(10

ijij

ta −=

где — коэффициент матрицы передачи.

2.3.15. Матрица передачи волоконно-оптических коммутаторов

Оптические свойства волоконно-оптического коммутатора могут быть определены

матрицей коэффициентов т х п (где п — число портов). Матрица Т отображает пути

передачи в состоянии включено (передача в расчете на худший случай), а матрица

— пути передачи в состоянии выключено (изоляция в расчете на худший случай).

2.3.16. Коэффициенты передачи волоконно-оптических коммутаторов

Коэффициентом передачи является элемент или матрицы передачи. Каждый

коэффициент 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 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.

2.3.17. Логарифмическая матрица передачи волоконно-оптических

коммутаторов

В общем случае логарифмическая матрица передачи имеет вид:

где — коэффициент уменьшения оптической мощности (в дБ), выходящей из

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

),log(10

ijij

ta −=

где — коэффициент матрицы передачи.

Аналогично, для состояния выключено, имеем ),log(10

ijij

ta −=

2.3. 18. Избыточные потери волоконно-оптических устройств ветвления

Избыточные потери — это общая мощность, потерянная в устройствах ветвления,

когда оптический сигнал подается в порт i. Они определяются как

,log10

ijji

tEL Σ−=

где суммирование осуществляется только по тем значениям j, для

которых i и j — проводящие порты. Для устройства ветвления с N входными портами

будет существовать массив из N значений избыточных потерь, по одному значению

для каждого входного порта i.

2.3.19. Коэффициент связи

Для заданного входного порта i коэффициент связи является отношением светового

потока на заданном выходном порту k к общему световому потоку со всех выходных

портов. Он определяется так:

ijjikik

ttCR Σ=

где индексом j обозначены все функционирующие выходные порты.

2.3.20. Рабочая длина волны

Это номинальная длина волны

, на которой пассивный элемент должен (по

проекту) работать с надлежащими показателями.

2.3.21. Матрица времен переключений волоконно-оптического коммутатора

Матрица S является матрицей таких коэффициентов, что каждый элемент

характеризует максимальное время переключения, требуемое для того, чтобы

перевести путь ij из любого состояния в состояние включено или выключено.

2.4. Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон

Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон исполь-

зуются для соединения секций волокна (кабеля). Волоконно-оптический кабель

(ВОК) доставляется производителю работ на катушках с намотанным кабелем

длиной 1-25 км. Для систем дальней связи, в отличие от сетей в офисе клиента,

катушки состоят из сегментов кабеля (строительных длин), которые должны быть

соединены вместе для создания рабочей системы. Для этой цели используются

либо оптические разъемы, либо сращивание волокон.

Промышленная практика диктует (в хорошем смысле) использование

оптических разъемов на обоих концах кабеля и сращивание для промежуточных

секций. Причины такой практики в следующем:

• Сростки дают вносимые потери минимально на уровне 0,04 дБ на один

сросток, тогда как оптические разъемы имеют большие вносимые потери. Кроме

того, сростки обеспечивают определенное постоянство.

• Это вынуждает использовать оптические разъемы в тех местах, где мы

ожидаем несколько или много соединений/разъединений, например, в

коммутационных панелях или соединительных кроссах. Многие оптические

разъемы сделаны для осуществления легкого сочленения (со-

единения/разъединения).

Возможность использования оптических разъемов должно рассматриваться там,

где волокно стыкуется либо с пассивным, либо с активным устройством. Если мы

хотим заменить устройство, то это значительно удобнее сделать при наличии

оптического разъема, чем сростка.

2.4.1. Оптические разъемы

На рынке существует большое количество специализированных оптических

разъемов. Волоконно-оптические разъемы доступны в двух типоразмерах: разъемы

стандартного размера и миниатюрные оптические разъемы. Существуют

оптические разъемы, которые могут соединить как одно, так и несколько волокон.

Одни оптические разъемы могут быть спроектированы для соединений в полевых

условиях, другие — для соединения в заводских условиях. К последним типам относятся

оптические разъемы для соединительных шнуров (пигтейлов). Соединительный шнур —

короткий по размеру одноволоконный кабель, присоединяемый обычно к устройствам

типа: источник света или детектор светового сигнала. Другой конец такого шнура имеет

оптический разъем, устанавливаемый производителем устройства. Если соединение про-

изводят в полевых условиях, необходимо предусмотреть ответную часть для такого типа

разъема, установив ее на конце соединяемого волокна.

Оставшаяся часть материала главы будет сконцентрирована только на оптических

разъемах, устанавливаемых в полевых условиях.

2.4.1..1. Конструкция оптических разъемов — общий случай

Оптический разъем состоит из трех основных частей:

1. Наконечник — ферул.

2. Соединительная розетка.

3. Стягивающая гайка.

Вид типичного оптического разъема в сборке приведен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Основная структура оптического разъема.

Обычно оптический разъем состоит из оболочки, внутри которой расположен

керамический наконечник (ферул) с прецизионным продольным концентрическим

каналом. Оголенный отрезок волокна вставляется в канал наконечника и удерживается

резиной или термоплавким клеем. Выступающий конец волокна затем скалывается и

полируется заподлицо (плоское зеркальное полирование). Металлическая оболочка

выравнивается и соединяется встык с керамическим наконечником мягкой

опрессовкой. Наиболее распространенный внешний диаметр наконечника - 2,5 мм, но

в оптических разъемах с малым форм-фактором может использоваться наконечник

диаметром 1,25 мм.

Для одномодового волокна точность выравнивания лучше, чем 0,1 мкм, а допуск на

угловое выравнивание составляет 5°. Обычно рекомендуется контролировать вносимые

потери установленного оптического разъема перед тем, как отправить его потребителю.

Эти потери должны быть измерены по стандартной технологии измерений, а не с

помощью оптического временного рефлектометра (OTDR). Возможно при этом

потребуется проконтролировать возвратные потери с учетом интерфейса оптического

разъема. Это можно сделать с помощью OTDR. Цель последних измерений —

убедиться, что возвратные потери имеют порядок 40 дБ или лучше.

На рынке существует большое разнообразие типов оптических разъемов, каждый из

них требует своей собственной процедуры сборки. Однако, по крайней мере, два шага

этой процедуры являются общими для них всех.

Во-первых, волокно закрепляется в оптическом разъеме с помощью эпоксидной

смолы. Этот процесс важен с точки зрения обеспечения надежности оптического

разъема. Эпоксидная смола минимизирует температурные перемещения волокна,

позволяя осуществлять полировку торца без боязни повредить волокно, кроме того она

предохраняет волокно от воздействия окружающей среды. И, наконец, она допускает

очистку торцов от клея на последней стадии. Поэтому очень важно, чтобы эпоксидная

смола присутствовала на всей длине отрезка голого волокна, вокруг буфера (там, где

волокно входит в оптический разъем), а также вокруг кончика волокна,

выступающего из наконечника (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Применение эпоксидной смолы.

Во-вторых, оптоволоконный торец на конце оптического разъема должен быть

отполирован. Рекомендуется полирование типа физический контакт (PC). Это

означает, что концы волокон будут физически соприкасаться внутри адаптера

оптического разъема, как если бы они находились под давлением. Отсутствие

полировки типа PC приводит к образованию воздушного зазора между волокнами и

увеличению затухания. Описанное, показано на рис. 2.3.

Существует несколько рекомендованных методов полирования, которые, как

правило, зависят от материала наконечника. В общем случае, если материал

наконечника очень твердый, например керамика, то, как правило, наконечник

закруглен в районе торцевого конца и на него ссылаются как на предварительно

закругленный. Мягкие материалы наконечника, такие, как композитные термопластики

или стеклокерамика, могут полироваться плоско. Эти материалы изнашиваются

примерно с такой же скоростью, что и оптоволокно, могут интенсивно полироваться и,

тем не менее, поддерживать качество физического контакта.

Рис. 2.3. Иллюстрация физического контакта (PC) в волоконно-оптическом разъеме.

Существуют несколько подходов в процессе подготовки волокна и оптического

разъема к сборке. Торцевые концы волокна, которые оконцовываются оптическими

разъемами, в настоящее время закругляются, вместо того, чтобы делать их

плоскими и перпендикулярными. Преимущество такого подхода в том, что свет не

отражается непосредственно назад к источнику (так как угол отражения равен углу

падения). Теперь он отражается назад под углом и, как правило, оказывается

потерянным для волокна. Радиальная полировка сначала отсекает часть

отраженного света, а затем направляет то, что отразилось, так, что оно никогда не

достигает исходного источника излучения. Этот подход называется полировкой

торца до уровня физического контакта. Другое преимущество подхода,

использующего полировку закругленного конца до уровня физического контакта, в

том, что волокна касаются наиболее выступающими точками, которые приходятся

на среднюю часть светонесущей сердцевины. Пользователь убежден, что волокна

касаются всегда и что воздушный зазор исключен.

Обратное отражение может быть снижено еще больше, если использовать

угловой физический контакт (АРС). Угловой контакт отражает свет в оболочку

волокна, а не в сердцевину.

Возвратные потери оптического разъема должны быть, по крайней мере, 40 дБ.

Другой важный параметр — число сочленений. Оно относится к числу

соединений/разъединений, начиная с которого характеристики разъема станут

ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 сочленений.