1. Система оптоволоконной связи-WDM

Рисунок 1. Система связи WDM.

       Сегодня с быстрым развитием информационных технологий оптоволоконные сети стали неотъемлемой частью человеческого общества. Тысячи домов покрыты плотными оптическими волокнами. Система WDM была разработана для удовлетворения растущих потребностей в связи, сокращения использования оптических волокон и увеличения коэффициента использования одного оптического волокна. Как показано на рисунке 1, с помощью комбинированной функции длины волны системы WDM несколько или десятки различных длин волн сигнала могут быть объединены в оптическое волокно для передачи.Перед передачей на терминал используется функция демультиплексирования WDM, чтобы различные длины волн сигнала передаются на соответствующие терминалы соответственно. Это позволяет достичь цели экономии оптических волокон передачи и значительно повысить коэффициент использования одного оптического волокна.

2. Оптоволоконный усилитель

Рисунок 2. Типичная структура EDFA.

       EDFA, также известный как волоконный усилитель, легированный эрбием, представляет собой специальное оптическое волокно, в сердцевину которого вводится редкоземельный элемент эрбий (Er), так что оптический сигнал определенной длины волны может быть непосредственно усилен под действием источник света накачки. Он в основном используется в процессе передачи по оптоволоконному кабелю на большие расстояния.После передачи на большие расстояния энергия оптического сигнала ослабляется и не может быть эффективно передана на терминал. Поэтому в процессе передачи добавляется оптоволоконный усилитель для усиления оптического сигнала с ослаблением энергии, чтобы энергию можно было поддерживать на определенном уровне при передаче на сверхдальние расстояния. Например, передача по подводной оптической сети, передача по городской сети и т. д.

       Например, сигнальный свет с длиной волны 1550 нм, который необходимо улучшить, вводится с левой стороны, 5% световой энергии отделяется на делтеле длины волны для контроля мощности, а оставшиеся 95% энергии передаются с помощью WDM в эрбиевый фильтр. легированное волокно. Источник накачки излучает возбуждающий свет с длиной волны 980 нм, который также попадает в легированное эрбием волокно из ВДМ. Возбуждающий свет с длиной волны 980 нм поглощается в волокне для достижения эффекта накачки рабочего вещества. Затем под индукцией 1550 нм сигнального света, волокно, легированное эрбием, будет производить большое количество света с длиной волны 1550 нм, тем самым достигая улучшенного усиления сигнального света с длиной волны 1550 нм. Здесь WDM играет роль объединения сигнального света и света накачки в одном волокне, легированном эрбием.

Аналогичным образом схожи и принципы построения волоконно-оптических усилителей других типов длин волн.

Оптический мультиплексор с разделением по длине волны

1. Определение

       Оптический мультиплексор с разделением по длине волны (WDM, мультиплексирование с разделением по длине волны) — это оптическое пассивное устройство, которое может объединять две или более длины волн света в одно и то же оптическое волокно для передачи. Свет разделяется на разные оптические волокна для передачи.

2. Характеристики

       1. Объединение или разделение двух (обычно двух) или нескольких лучей света разной длины волны.

       2. Широкая рабочая полоса пропускания, низкие вносимые потери, высокая изоляция каналов, высокая стабильность и надежность.

       3. Изготовленные по технологии плавления конусов, доступны различные комбинации длин волн в диапазоне длин волн 488-2000 нм.

       4. Доступны варианты разъемов FC/APC и FC/UPC.

3. Описание

1. Расплавленная коническая структура

       Плавленая коническая муфта состоит из двух параллельных оптических волокон. Два оптических волокна намотаны вместе. В условиях высокой температуры оптические волокна постепенно плавятся и одновременно растягиваются. Сердечники двух оптических волокон постепенно приближаются к определенной расстояние. . Область сплавления двух оптических волокон, образованных путем намотки волокна и растяжения расплава, называется областью соединения, и ее структура показана на рисунке 1 ниже.

Рисунок 1. Схематическая диаграмма структуры расплавленной конической области и распределения световой связи (желтая сердцевина, синяя оболочка, энергия красного света).

       Длина L области связи определяет коэффициент связи между двумя волокнами. В ходе производственного процесса порт Pin постоянно подает световые волны, а затем контролирует выходную мощность каждого выходного порта в режиме реального времени. Полностью автоматизированный производственный процесс перестает растягиваться, когда достигается расчетное передаточное число. В результате соединитель представляет собой, по сути, одно волокно, но с двумя жилами, расположенными очень близко друг к другу. Этот процесс называется процессом плавленого биконического конуса (FBT).

2. Принцип работы и примеры плавного конусования.

2.1 Принцип

       Распределение интенсивности света, проходящего через оптическое волокно, в основном является распределением Гаусса. То есть интенсивность максимальна в центре, а энергия постепенно уменьшается от центра ближе к границе раздела ядро/оболочка. Стоит отметить, что хвост энергии гауссово распределенной энергии незначительно выходит за пределы границы между сердечником и оболочкой.Световая волна этого хвоста энергии называется затухающей волной. На рис. 2 представлена ​​диаграмма распределения энергии световой волны в поперечном сечении оптического волокна. Вертикальная пунктирная линия представляет собой границу сердцевины/оболочки волокна, а красная часть — энергию затухающей волны.

Рисунок 2. Распределение энергии света, передаваемого по оптическому волокну (красная часть представляет энергию затухающей волны).

       В процессе FBT сердцевины двух параллельных оптических волокон расположены настолько близко, что затухающие волны могут «перетекать» из одной сердцевины в другую. Степень энергетического обмена, генерируемого в области связи, в основном зависит от расстояния d между сердцевинами волокон и длины L области связи. Из рисунка 1 видно, что если длина связи достаточно велика, энергия может полностью передаваться от одного волокна к другому. Если бы оно было больше, процесс соединения продолжал бы передавать энергию обратно в исходное волокно. Путем выбора подходящей длины можно достичь любого заданного коэффициента передачи мощности. Вот почему мы можем создавать соединители 50/50 или 10/90, контролируя процесс конусности.

2.2 Примеры проектирования

Рисунок 3. Структура порта 2×2, конический соединитель 50/50.

       Коническое устройство с плавким предохранителем, показанное на рисунке 3, представляет собой муфту 50/50. Предположим, мы вводим свет мощностью 1 мВт, 1550 нм в порт 1, а также вводим свет мощностью 1 мВт, 1550 нм в порт 4. Итак, какую оптическую мощность мы можем измерить на выходных портах 2 и 3 соответственно?Очевидно, мы будем измерять мощность 1 мВт на каждом выходном порту, а свет на каждом входном порту делится на две равные части 50/50.части.

       Предположим также, что мы подаем 1 мВт в порт 1 и 2 мВт в порт 4. Насколько велики теперь выходные порты 2 и 3? Согласно предыдущему выводу, входная световая энергия каждого пути делится на две равные части, поэтому теперь мы измеряем мощность на каждом выходном порту, которая равна 1,5 мВт (порт 1 вносит вклад 0,5 мВт, порт 4 вносит 1 мВт).

       Давайте проанализируем это дальше, по-прежнему используя рисунок 3, соединитель 50/50. Предположим, что порт 4 теперь поврежден (например, отрезан. Обычно трехпортовые устройства сначала делают 4-портовыми, а затем оптическое волокно 4-портового порта разрывают и делают шероховатым, чтобы избежать отраженных эхо-сигналов на гладком участке. ) Становится соединителем 1×2. Если мы введем 2 мВт на порт 1, легко понять, что в конечном итоге мы измерим 1 мВт на портах 2 и 3 соответственно.

2.3 Взаимосвязь конической муфты

       В стандартном соединителе 50/50, 2×2, если направления входа и выхода света поменяны местами, из-за симметрии его структуры мы можем легко понять, что его прямое и обратное пропускание имеют одинаковые свойства. Однако люди иногда путаются при использовании соединителя 1×2, поскольку кажущаяся асимметрия устройства может создать у людей иллюзию, что в обратном направлении оно работает иначе, чем в прямом.

       Продолжая предыдущий пример соединителя 2×2, если свет поступает из исходных двух «выходных» портов 2 и 3, будет ли 100% света выходить из порта 1? Конечно, нет, свет тоже хочет приходить. из разрушенного порта выходит порт 4. Таким образом, если мы подаем только 1 мВт через порт 2, то через порт 1 выводится только 0,5 мВт. Или, если мы подадим 1 мВт в порт 2 и 2 мВт в порт 3, то мы получим 1,5 мВт из порта 1 (порт 2 дает 0,5 мВт, а порт 3 — 1 мВт). Такая модель распределения энергии соответствует прямому транспорту. Следовательно, коническая муфта обладает взаимностью, а передача в прямом и обратном направлениях имеет одинаковые свойства.

       Подводя итог, нам нужно знать, что соединитель 1×2 по сути является соединителем 2×2, за исключением того, что одно из оптических волокон разрезано и повреждено (для уменьшения отражения от поперечного сечения).

3. Применение плавкого конического соединителя в области мультиплексирования с разделением по длине волны.

       В приведенном выше случае по умолчанию происходит только одна передача энергии от одной сердцевины волокна к другой. Но на самом деле энергия передается туда и обратно между двумя волокнами много раз в пределах области связи (также называемой длиной взаимодействия). Эта скорость передачи является функцией длины волны, поэтому, если используемая длина волны отличается от расчетной длины волны, коэффициент передачи энергии (или коэффициент связи) будет другим.

       Например, предположим, что два источника света с разными длинами волн (красный свет и синий свет) поступают через порт 2 и порт 3 соответственно.

Рисунок 4. Выходная мощность красного и синего света через порт 1 меняется в зависимости от длины соединения.

       Перенос энергии на двух длинах волн показан на рисунке 4. Горизонтальная ось — это длина области связи, а вертикальная ось — выходная световая энергия порта 1. Как показано на рисунке, когда мы устанавливаем длину области соединения равной L, вводим красный и синий свет на двух входных концах соответственно, выходная энергия обоих источников света на порте 1 составляет 100%, то есть вход через порты 2 и 3. Световые волны различной длины сходятся в порту 1 для вывода.

Рисунок 5. Принципиальная схема выхода мультиплексирования WDM.

       Таким же образом, в соответствии с принципом взаимности конических устройств, объединенным с рисунком 3, когда мы вводим красный и синий свет из порта 1 в обратном порядке, тогда красный и синий свет будут исходить от двух «входных» клемм. 2 и 3 соответственно. В этом заключается принцип мультиплексной передачи света с разделением по длине волны плавленых конических устройств: объединение и разделение света разных длин волн.

Рисунок 6. Принципиальная схема выхода демультиплексирования WDM.

       Таким образом, пока мы контролируем длину связи L и расстояние d между двумя сердцевинами волокна во время производственного процесса, мы можем производить желаемое устройство мультиплексирования с разделением по длине волны с помощью технологии плавного сужения.

4. Ключевые параметры

(1) Вносимая потеря IL (Вносимая потеря)

       Вносимые потери относятся к дополнительным потерям, вызванным добавлением WDM, которые определяются как соотношение оптической мощности входных и выходных портов пассивного устройства, то есть:

В формуле: Pout — оптическая мощность выходного порта, а Pin — оптическая мощность входного порта. Характеристики этого устройства требуют, чтобы вносимые потери для падающего вперед света были как можно меньшими. (Примечание. Как правило, результат расчета представляет собой отрицательное значение, но отрицательный знак часто опускается при его заполнении или использовании, как показано ниже)

Рисунок 7. Принципиальная схема испытания выходной клеммы 1 WDM вносимых потерь.

       На рисунке 7 можно увидеть, что входная оптическая мощность красного света Pin = 100 мВт на входном конце и оптическая мощность красного света Pout = 90 мВт, выдаваемая на выходе 1, тогда вносимые потери IL на Конец выхода 1:

ИЛ= 10 × lg (90/100)

= 10 × (-0,046)  

= -0,46 дБ         

Рисунок 8. Схематическая диаграмма теста вносимых потерь на выходной клемме 2 WDM.

       Таким же образом, на рисунке 8 видно, что оптическая мощность синего света Pin = 100 мВт на отражающем входном конце и оптическая мощность синего света Pout = 95 мВт на выходе 2, тогда вносимые потери IL на конец Выхода 2:

ИЛ= 10 × lg (95/100)

= 10 × (-0,022)  

= -0,22 дБ         

(2) Изоляция канала Iso (Изоляция)

       Изоляция канала означает способность одного оптического пути WDM изолировать свет от других оптических путей. Он определяется как: отношение в децибелах значения мощности неканального падающего оптического сигнала к значению мощности выходного оптического сигнала канала, выражаемое как:

Iso=10×lg(Pout/Pin)

В формуле: Pin представляет собой оптическую мощность неканального входного света, а Pout представляет оптическую мощность неканального светового выхода. Производительность этого устройства требует, чтобы значение изоляции для неканального света было как можно большим.

Рис. 9. Схема оптического пути проверки изоляции выходной клеммы 1 WDM.

       Если взять в качестве примера рисунок 9, выход 2 WDM — это канал передачи синего света, а выход 1 — канал передачи красного света. Теоретически, весь красный свет, поступающий на входную клемму, должен передаваться на выходную клемму 1. Но на самом деле устройство WDM не может полностью изолировать выход красного света от выхода 2. Поэтому, чтобы охарактеризовать способность устройств WDM к изоляции от неканального света, вводится понятие изоляции канала.

       Как видно из рисунка 9, входная оптическая мощность Pin неканального света красного света = 100 мВт, а выходная оптическая мощность Pout = 1 мВт на Выходе 2, тогда изоляция Iso на Выходе 2 составляет:

ISO = 10 × LG (1/100)

= 10 × (-2)   

= -20 дБ     

Рис. 10. Схема оптического пути проверки изоляции выходной клеммы 2 WDM.

       Таким же образом, из рисунка 10 видно, что входная оптическая мощность Pin неканального голубого света = 100 мВт, а выходная оптическая мощность Pout = 3 мВт на конце Выхода 1, тогда изоляция Iso на конце выхода 1:

Изо = 10 × lg (3/100)

= 10 × (-1,5)  

= -15 дБ