Оптоволоконні лінії зв&#39;язку

Оптоволоконні лінії зв'язку

1. Огляд існуючих методів передачі на волоконно-оптичних системах передачі міських телефонних мереж.

1 Принципи побудови та основні особливості ВОСП на ГТС

Особливістю з'єднувальних ліній (С.Л) є відносно невеликаїх довжина за рахунок глибокого районування мереж. Статистика розподілупротяжності С.Л міської телефонної мережі в найбільших містах Росіїсвідчить, що С.Л довжиною до 6 км складають 65% від усьогочисла СЛ. Значні відстані між регенераційних пунктами ВОСПдають можливість відмовитися від обладнання регенераторів в колодязяхтелефонної каналізації, а також від організації дистанційного живлення
(ріс1.1).

РАТС РАТС

У найбільш загальному вигляді принцип передачі інформації в волоконно -оптичних системах зв'язку можна пояснити за допомогою ріс.1.2. На передавальноїстороні на випромінювач, в якості якого в ВОСП використовується світлодіодабо напівпровідниковий лазер, поступає електричний сигнал,призначений для передачі по лінії зв'язку. Цей сигнал модулюєоптичне випромінювання, в результаті чого електричний сигнал перетворитьсяв оптичний. На приймальній стороні оптичний сигнал з О.В. вводиться вфотодетектора (Ф.Д). У сучасних ВОСП як Ф.Д. використовують p-i-n аболавинний фото діод (ЛФД).

фотодетектора перетворить падаюче на нього оптичне випромінювання ввихідний електричний сигнал. Потім електричний сигнал надходить напідсилювач (регенератор) і відправляється одержувачу повідомлення.

Впровадження ВОСП на місцевих мережах почалося в 1986 р. введенням вексплуатацію на ГТС вторинної цифрової волоконно-оптичної системипередачі на базі апаратури «Соната-2». З її використанням у багатьохмістах споруджені лінії зв'язку. Апаратура «Соната-2» сполучається зстандартним канало - і групових утворюючим обладнанням типів ІКМ-30 та ІКМ-
120. У 1990 р. розпочато промисловий випуск устаткування вторинної цифровийсистеми передачі (ЦСП) для міських мереж ІКМ-120-5, призначеної дляпередачі по градієнтному оптичному кабелю (О.К.) лінійного тракту,що працює на довжинах хвиль 0,85 або 1,3 мкм. Розроблено ВОСП «Сопка-Г»,призначена для організації оптичного лінійного тракту зі швидкістюпередачі 34,368 Мбіт/с по одномодовому і градієнтні оптичному кабелю,з робочою довжиною хвилі 1,3 мкм. Апаратура «Сопка-Г» виконана вконструкції ІКМ-30-4, ІКМ-120-5 і аналогічна їм за системою технічногообслуговування, тобто є продовженням єдиного сімейства ЦСП дляміської мережі.

Вибір елементної бази при реалізації ВОСП і параметри її лінійноготракту залежать від швидкості передачі символів цифрового сигналу. МККТТвстановлені правила об'єднання цифрових сигналів і визначена ієрархіяапаратури тимчасового об'єднання цифрових сигналів електрозв'язку. Сутністьієрархії полягає в ступінчастому розташування вказаної апаратури, приякому на кожного ступеня об'єднується певне число цифровихсигналів, що мають однакову швидкість передачі символів, відповіднупопередньої ступені. Цифрові сигнали під вторинної, третинної, і т.д.системах виходять об'єднанням сигналів попередніх ієрархічних систем.
Для європейських країн встановлені наступні стандартні швидкості передачідля різних ступенів ієрархії (відповідно ємності в телефоннихканалах): перша ступінь-2.048 Мбіт/с (30 каналів), другим-8.448 Мбіт/с
(120 каналів), третє-34.368 Мбіт/с (480 каналів), четверта-139.264
Мбіт/с (1920 каналів). Згідно з наведеними швидкостями можнаговорити про первинної, вторинної, третинної і четвертинної групах цифровихсигналів електричного зв'язку (у цьому ж порядку присвоєні назви систем
ІКМ).

Апаратура, в якій виконується об'єднання цих сигналів, називаєтьсяапаратурою тимчасового об'єднання цифрових сигналів. На виході цієїапаратури цифровий сигнал скрембліруется скремблер, тобтоперетвориться за структурою без зміни швидкості передачі символів длятого, щоб наблизити його властивості до властивостей випадкового сигналу
(рис.1.3). Це дозволяє досягти стійкої роботи лінії зв'язку позазалежності від статистичних властивостей джерела інформації.
Ськремблірованний сигнал може подаватися на вхід будь-якої цифрової системипередачі, що здійснюється за допомогою апаратури електричного стику.

Для кожної ієрархічної швидкості МККТТ рекомендує свої коди стику,наприклад для вторинної - код HDB-3, для четверічной - код CMI і т.д.
Операцію перетворення бінарного сигналу, що надходить від апаратуритимчасового об'єднання в код стику, виконує перетворювач коду стику.
Код стику може відрізнятися від коду прийнятого в оптичному лінійному тракті.
Операцію перетворення коду стику в цифровий код ВОСП виконуєперетворювач коду лінійного тракту, на виході якого виходитьцифровий електричний сигнал, модулюючий ток випромінювача передавальногооптичного модуля. Таким чином, волоконно-оптичні системи передачібудуються на базі стандартних систем ІКМ заміною апаратури електричноголінійного тракту на апаратуру оптичного лінійного тракту.

1 Лінійні коди ВОСП на ГТС

оптичне волокно, як середовище передачі, а також оптоелектроннікомпоненти фотоприймача і оптичного передавача накладаютьобмежують вимоги на властивості цифрового сигналу, що надходить улінійний тракт. З цього між обладнанням стику і лінійним трактом ВОСПпоміщають перетворювач коду. Вибір коду оптичної системи передачіскладне і важливе завдання. На вибір коду впливає, по-перше, нелінійністьмодуляційних характеристики і температурна залежність випромінюваноїоптичної потужності лазера, які призводять до необхідності використаннядворівневих кодів.

По друге, вид енергетичного спектру, який повинен матимінімальний вміст низькочастотних (НЧ) і високочастотних (ВЧ)компонент. Енергетичний спектр містить безперервну і дискретну частини.
Безперервна частина енергетичного спектра цифрового сигналу залежить відінформаційного сигналу і типу коду. Для того, щоб цифровий сигнал неспотворюється в підсилювачі змінного струму фотоприймача бажано матинизькочастотну складову безперервної частини енергетичного спектрупригніченою, в іншому випадку для реалізації оптимального прийому передвирішальним пристроєм регенератора потрібне введення додатковогопристрої, призначеного для відновлення НЧ складової, щоускладнює обладнання лінійного тракту. Існує ще одна причина длязменшення низькочастотної складової сигналу. Справа в тому, що оптичнапотужність, яку випромінює напівпровідниковим лазером, залежить від навколишньоготемператури і може бути легко стабілізована за допомогою негативноїзворотного зв'язку (ООС) за середнім значенням випромінюваної потужності лише в томуразі, коли відсутня НЧ частину спектру, що змінюється в часі. Інакшев ланцюг ООС доведеться вводити спеціальні пристрої, що компенсують цізміни.

По-третє, для вибору коду істотно високий вміст інформації протактовою синхросигналами в лінійному сигналі. У приймачі ця інформаціявикористовується для відновлення фази і частоти хронірующего коливання,необхідного для керування прийняттям рішення в пороговому пристрої.
Здійснити синхронізацію тим простіше, чим більше число переходів рівня вцифровому сигналі, тобто чим більше переходів виду 0-1 або 1-0. Кращим зточки зору відновлення тактової частоти і простоти реалізації схемивиділення хронірующей інформації, є сигнал, що має венергетичному спектрі дискретну складову на тактовій частоті.

По-четверте, код не має яких-небудь обмежень на переданеповідомлення і забезпечувати однозначну передачу будь-якій послідовностінулів та одиниць.

У п'ятому, код повинен забезпечувати можливість виявлення та виправленняпомилок. Основною величиною, що характеризує якість зв'язку, єчастость появи помилок або коефіцієнт помилок, який визначається відношеннямсередньої кількості неправильно прийнятих посилок до їх загального числа.
Контроль якості зв'язку необхідно виробляти, не перериваючи роботу лінії.
Ця вимога припускає використання коду, що володіє надмірністютоді досить фіксувати порушення правил формування коду, щобконтролювати їх роботу.

Крім перерахованих вище вимог на вибір коду впливаєпростота реалізації, низьке споживання енергії і мала вартістьобладнання лінійного тракту.

У сучасних оптоволоконних системах зв'язку для міської телефонноїмережі ІКМ-120-4/5 та ІКМ-480-5 для передачі в якості лінійного кодувикористовується код CMI, що відповідає більшості перерахованих вище вимог.
Особливістю даного коду є поєднання простоти кодування іможливості виділення тактової частоти заданої фази з допомогоювузькосмугового фільтра. Код будується на основі коду HDB-3 (принциппобудови представлений на ріс.1.4). Тут символ +1 перетвориться в кодовеслово 11, символ -1-в кодове слово 00, символ 0-в 01. З малюнка 4видно, що для CMI характерно значна кількість переходів, щосвідчить про можливість виділення послідовності тактовихімпульсів. Поточні цифрові суми кодів мають обмежене значення. Цедозволяє контролювати величину помилки досить простими засобами.
Число однойменних наступних один за одним символів не перевищує двох --трьох. Надмірність коду CMI можна використовувати для передачі службовихсигналів. Застосовуючи для цієї мети заборонений у звичайному режимі блок 10, атакож порушення чергувань 11 і 00.

2 Джерела випромінювання ВОСП

Джерела випромінювання волоконно-оптичних систем передачі повинніволодіти великою вихідною потужністю, допускати можливість різноманітнихтипів модуляції випромінювання, мати малі габарити і вартість, великий термінслужби, ККД і забезпечити можливість введення випромінювання в оптичне волокно змаксимальною ефективністю. Для ВОСП потенційно придатні твердотільнілазери, в яких активним матеріалом служить ітрій-алюмінієвий гранат,активоване іонами ніодіма з оптичною накачуванням (наприклад СІД), уякого основний лазерний перехід супроводжується випромінюванням з довжиною хвилі
1,064 мкм. Вузька діаграма спрямованості і здатність працювати водномодовим режимі з низьким рівнем шуму є плюсами даного типуджерел. Проте великі габарити, малий ККД, потреба в зовнішньомупристрої накачування є основними причинами, через які це джерелоне використовується в сучасних ВОСП. Практично у всіх волоконно -оптичних системах передачі, розрахованих на широке застосування, вЯк джерела випромінювання зараз використовуються напівпровідниковісвітловипромінюючі діоди і лазери. Для них характерні в першу чергу малігабарити, що дозволяє виконувати передавальні оптичні модулі вінтегральному виконанні. Крім того, для напівпровідникових джерелвипромінювання характерні невисока вартість і простота забезпечення модуляції.

Перше покоління передавачів сигналів по оптичного волокна буловпроваджено в 1975 році. Основу передавача становив світловипромінювальних діод,що працює на довжині хвилі 0.85 мкм в багатомодовим режимі. Протягомнаступних трьох років з'явилося друге покоління - одномодові передавачі,що працюють на довжині хвилі 1.3 мкм. У 1982 році народилося третє поколінняпередавачів - діодні лазери, що працюють на довжині хвилі 1.55 мкм.
Дослідження тривали, і ось з'явилося четверте покоління оптичнихпередавачів, що дало початок когерентним систем зв'язку - тобто системам,в яких інформація передається модуляцією частоти або фази випромінювання.
Такі системи зв'язку забезпечують набагато велику дальність розповсюдженнясигналів з оптичного волокна. Фахівці фірми NTT побудувалибезрегенераторную когерентну ВОЛЗ STM-16 на швидкість передачі 2.48832
Гбіт/с довжиною в 300 км, а в лабораторіях NTT на початку 1990 рокувчені вперше створили систему зв'язку з застосуванням оптичних підсилювачів нашвидкість 2.5 Гбіт/с на відстань 2223 км.

3 Детектори ВОСП

Функція детектора волоконно-оптичних систем передачі зводиться доперетворення вхідного оптичного сигналу, який потім, як правило,піддається посилення та обробці схемами фотоприймача. Призначенийдля цієї мети фотодетектора має відтворювати форму приймаєтьсяоптичного сигналу, не вносячи додаткового шуму, тобто володітинеобхідної широкосмугового, динамічним діапазоном і чутливістю.
Крім того, Ф.Д. повинен мати малі розміри (але достатні для надійногоз'єднання з оптичним волокном), великий термін служби і бути нечутливим до змін параметрів зовнішнього середовища. Існуючіфотодетектори далеко не повно задовольняють перерахованим вимогам.
Найбільш відповідними серед них для застосування в волоконно-оптичнихсистемах передачі є напівпровідникові pin фотодіоди та лавинніфотодіоди (ЛФД). Вони мають малі розміри і досить добре стикуються зоптичними волокнами. Перевагою ЛФД є висока чутливість
(може в 100 разів перевищувати чутливість pin фотодіода), що дозволяєвикористовувати їх у детекторах слабких оптичних сигналів. Однак, привикористанні лавинних фотодіодів потрібна жорстка стабілізація напругиджерела живлення і температурна стабілізація, оскільки коефіцієнтлавинного множення, а отже фотоструму і чутливість ЛФД, сильнозалежить від напруги і температури. Тим не менше, лавинні фотодіодиуспішно застосовуються у ряді сучасних ВОСП, таких як ІКМ-120/5, ІКМ-
480/5, «Соната».

4 Оптичні кабелі ВОСП

Оптичний кабель (ОК) призначений для передачі інформації,що міститься в модульованих електромагнітних коливань оптичногодіапазону. В даний час використовується діапазон довжин хвиль від 0.8 до 1.6мкм, що відповідає ближнім інфрачервоним хвилях. У майбутньому можливерозширення робочого діапазону в область далеких інфрачервоних хвиль з довжиноюхвиль від 5 до 10 мкм. Оптичний кабель містить один або кількаоптичних волокон. Оптичне волокно (ОВ) - це напрямна система дляелектромагнітних хвиль оптичного діапазону. Практичне значення маютьтільки оптоволокна, виготовлені з високо прозорого діелектрика: склаабо полімеру. Для концентрації поля хвилі поблизу осі оптоволокнавикористовується явище заломлення і повного відображення у волокні зпоказником заломлення, зменшуваним від осі до периферії плавно абострибками. Оптичне волокно (ОВ) виготовляється звичайно з зовнішнімдіаметром 100 - 150 мкм. Конструкція ОВ показана на ріс.1.5. Оптичневолокно складається з осердя з показником заломлення n1 і оболонки зпоказником заломлення n2, причому n1> n2. Специфікою ОВ є їх високачутливість до зовнішніх механічних впливів. Кварцові оптичнемає малий температурний коефіцієнт розширення, високий модуль пружностіі низька межа пружного розтягування; при відносному подовженні 0.5 - 1.5%воно ламається. Обрив волокна відбувається в перетині, найбільш ослабленомумікротріщинами, що виникають на його поверхні. Мікротріщини розвиваютьсяпри попаданні на поверхню вологи, тому міцність непокритого волокнашвидко зменшується, особливо у вологій атмосфері. Механічніхарактеристики оптичного волокна, що надходить на кабельне виробництво,настільки ж важливі і підлягають такій же ретельній перевірці, як і оптичнійого параметри.

Передача випромінювання з будь-якого ОВ може здійснюватися в двох режимах:одномодовим і багатомодовим. Одномодовим називається такий режим, при якомупоширюється тільки одна основна мода

Якщо нерівність (1.1) не задоволено, то в ОВ встановлюєтьсябагатомодовий режим. Очевидно, що тип модового режиму залежить відхарактеристик оптичного волокна (а саме радіусу серцевини і величинипоказників заломлення) і довжини хвилі переданого випромінювання. Оптичніволокна, призначені для роботи в одномодовим режимі, називаютьодномодовим оптичними волокнами. Відповідно ОВ для багатомодовогорежиму називають багатомодовим.

, де? - Довжина хвилі переданого випромінювання, n1 і n2 - показникизаломлення матеріалів ОВ.

Розрізняють оптичні волокна із ступінчастим профілем, у якихпоказник заломлення серцевини n1 однаковий по всьому поперечним перерізом,і градієнтні - з плавним профілем, у яких n1 зменшується від центру допериферії (ріс.1.6).

Фазовая і групова швидкості кожної моди в ОВ залежать від частоти, тоє оптоволокно є дисперсної системою. Викликана цим хвильоведисперсія є однією з причин викривлення переданого сигналу.
Відмінність групових швидкостей різних мод у багатомодовим режимі називаєтьсямодової дисперсією. Вона є дуже істотною причиною спотвореннясигналу, оскільки він переноситься частинами багатьма модами. У одномодовимрежимі відсутній модів дисперсія, і сигнал спотворюється значноменше, ніж у багатомодовим, проте в багатомодове ОВ можна ввести більшупотужність.

Оптичні волокна мають дуже мала (у порівнянні з іншими середовищами)загасання сигналу у волокні. Кращі зразки російського волокна маютьзагасання 0.22 дБ/км на довжині хвилі 1.55 мкм, що дозволяє будувати лініїзв'язку довжиною до 100 км без регенерації сигналів. Для порівняння, кращеволокно Sumitomo на довжині хвилі 1.55 мкм має загасання 0.154 дБ/км. Уоптичних лабораторіях США розробляються ще більш "прозорі", такзвані фтороцірконатние волокна з теоретичним межею порядку 0,02дБ/км на довжині хвилі 2.5 мкм. Лабораторні дослідження показали, що наоснові таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регенераційнихділянками через 4600 км при швидкості передачі порядку 1 Гбіт/с.

На сьогоднішній день для міської телефонної мережі вітчизняноїпромисловістю випускаються кабелі марки ОК мають чотири і вісімволокон. Конструкція ОК-8 наведена на мал.1. 7. Оптичні волокна 1
(багатомодові, ступінчасті) вільно розташовуються в полімерних трубках 2.
Скрутка оптичних волокон - повівная, концентрична. У центрі - силовийелемент 3 з високоміцних полімерних ниток в пластмасовій трубці 4.
Зовні - поліетиленова стрічка 5 і оболонка 6. Кабель ОК-4 маєпринципово ті ж конструкцію і розміри, але чотири ОВ в ньому заміненіпластмасовими стрижнями.

Недоліки волоконно-оптичної технології:

А. Необхідні також оптичні конектори (з'єднувачі) з малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення.

Точність виготовлення таких елементів лінії зв'язку повинна відповідати довжині хвилі випромінювання, тобто похибки повинні бути порядку частки мікрона. Тому виробництво таких компонентів оптичних ліній зв'язку дуже дороге.

Б. Інший недолік полягає в тому, що для монтажу оптичних волокон потрібно прецизійне, а тому дороге, технологічне обладнання.

В. Як наслідок, при аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище, ніж при роботі з мідними кабелями

Тим не менш, переваги від застосування волоконно-оптичних лінійзв'язку (ВОЛЗ) настільки значні, що, незважаючи на перерахованінедоліки оптичного волокна, ці лінії зв'язку все ширше використовуються дляпередачі інформації.

Одноволоконні оптичні системи передачі.

Широке застосування на міській телефонній мережі волоконно-оптичнихсистем передачі для організації міжвузлових з'єднувальних ліній дозволяє впринципі вирішити проблему збільшення пропускної здатності мереж. Унайближчі роки потреба у збільшенні кількості каналів буде продовжуватишвидко рости. Найбільш доступним способом збільшення пропускної здатності
ВОСП в два рази є передача по одному оптичного волокна двохсигналів в протилежних напрямках. Аналіз опублікованих матеріалів ізавершених досліджень і розробок Одноволоконні оптичних (ОВОСП)систем передачі дозволяє визначити принципи побудови таких систем.

Найбільш поширені і добре вивчені ОВОСП, що працюють на однійоптичної несучої, крім оптичного передавача і приймача містятьпасивні оптичні разгалужувачі. Заміна оптичних розгалуджувачів ноптичні циркулятори дозволяє зменшити втрати у лінії 6 дБ, а довжинулінії - відповідно збільшити. При використанні різних оптичнихнесучих і пристроїв спектрального розподілу каналів можна в кілька разівпідвищити пропускну здатність і відповідно знизити вартість урозрахунку на один канало - кілометр.

Збільшити розв'язку між протівонаправленнимі оптичними сигналами,знизити вимоги до оптичних разгалужувачі, а отже, рівеньперешкод і збільшити довжину лінії можна шляхом спеціального кодування, приякому передача сигналів одного напрямку здійснюється в паузахпередачі іншого напрямку. Кодування зводиться до зменшеннятривалості оптичних імпульсів і утворення тривалих пауз,необхідних для розв'язки сигналів різних напрямків. У ВОСП,побудованих таким чином, можуть бути використані ербіевие волоконно -оптичні підсилювачі.

Розв'язку між оптичними сигналами можна збільшити, не вдаючись дообуженію імпульсів, якщо для передачі в одному напрямку когерентнеоптичне випромінювання і відповідні методи модуляції, а в іншому --модуляцію сигналу по інтенсивності. При цьому істотно зменшуєтьсявплив як оптичних розгалуджувачів, так і зворотного розсіювання оптичноговолокна.

Якщо дозволяє енергетичний потенціал апаратури, на відноснокоротких лініях може бути використаний тільки один оптичний джереловипромінювання на одному кінці лінії. На іншому кінці замість модульованийоптичного джерела застосовується модулятор відбитого випромінювання. Такийметод дуплексної зв'язку по одному ОВ забезпечує високу

надійність обладнання та застосування волоконно-оптичних систем передачі векстремальних умовах експлуатації.

При нинішньому високому рівні розвитку волоконно-оптичної технікиз'явилася можливість передавати оптично сигнали на різних модах ОВ здостатньою для ВОСП розв'язкою, при цьому дуплексний зв'язок по одному ОВорганізовується на двох різних модах, що поширюються в різнихнапрямках, з використанням модових фільтрів і формувачів модвипромінювання.

Кожна Одноволоконні ВОСП розглянутих типів має гідності інедоліки. У таблиці 1.1 показані гідності (знаком «+») систем, їхможливості щодо досягнення найкращих параметрів.

1 хвильове оптичні системи спектрального мультиплексування/демультиплексування

З появою волоконних світловодів (НД) та інтегральної оптики (ІВ),заснованої на хвильове поширенні світла в тонких плівках, проблемаосвоєння та використання величезного оптичного діапазону в інтересах зв'язкупридбала практичне значення. Цьому також сприяли успіхи врозвитку волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ), планарних оптичниххвилеводів, інтегральних напівпровідникових лазерів та інших приладів ІВ.
Поштовхом до істотного просування у вирішенні даної проблеми сталопропозицію і розробка хвилеводних спектральних мультиплексорів /демультиплексор (ВСМ/Д), що дозволяють ущільнювати/разуплотнять канали зв'язкув усьому оптичному діапазоні і порівняно просто виконувати каналізаціюокремих "вузьких" оптичних каналів. При цьому широке використанняоптичних систем хвильове спектрального

Таблиця 1.1 - Порівняльна характеристика принципів побудовиодноволконних ВОСП

мультиплексування/демультиплексування дозволяє не тільки вирішувати задачікінцевих пристроїв волоконної зв'язку на далекі відстані (материк --материк, місто - місто), але й перейти до вирішення завдань внутрішньозв'язку, аж до зв'язку типу будинок - будинок. Крім того, гідністю ВСМ/Дє можливість їх реалізації за допомогою відомих, добрерозроблених технологічних методів мікроелектроніки та інтегральноїоптики, які дають можливість на одному кристалі об'єднати оптичні таелектронні схеми, а також забезпечити з'єднання з нд При цьому наукова ітехнологічна база для комерційного використання ВСМ/Д в основномупідготовлена.

1 Принципові схеми та основні характеристики ВСМ/Д.

В основі ВСМ/Д лежить відомий об'ємний аналізатор спектру типуешелону Майкельсона, що представляє собою фазову грати з порівняноневеликим числом інтерферують променів і великий постійною різницею фазміж сусідніми променями. Його хвильове втілення отримало ряд назв
(ВСМ/Д, волноводный спектральний аналізатор (ВСА), спектральниймультиплексор на основі матриці сфазірованних хвилеводів (фазар) та ін.)
По суті, всі назви відносяться до одного і того ж пристрою.

Рис.2.1

Основні характеристики ВСМ/Д і ВСА у зв'язку з принципом оборотності ходу променів, практично однакові, а висновок формул можна провести за аналогією з висновком для об'ємного ешелону Майкельсона, з урахуванням тою, що промені світла поширюються по планарним (канальним) хвилеводів або волоконних світловодів. На Рис.2.1 наведено схеми диспергуючих систем
ВСА прозорого типу (а), ВСМ/Д на основі канальних хвилеводів (б) і ВСА на основі волоконних світловодів (в). Формули, що визначають основні характеристики ВСМ/Д і ВСА, виконаних з одномодових хвилеводів, мають вигляд (рис. 2.1.а):

D? 'H /? X0? B,?' Nh /? B? ? '? 2/hb

??'?/? x0,??'? 2/Nhb, ??'?/ N? x0 b =??-?( d??/d? )

?? '? 1 -? 2, К =?? h /?, (1.2)де D? - Кутова дисперсія;? - Роздільна здатність;?? - Спектральнаобласть дисперсії;?? - Кутовий інтервал між сусідніми порядкамиспектра;?? і?? - Мінімальний інтервал і мінімальний кут між двомадозволеними по Релею лініями; b - дисперсійний множник; h - постійнарізниця довжини шляху між сусідніми ступенями (хвилеводів); x0 - ширинаступенів (каналів);? 1 та? 2 - ефективні показники заломленняступінчастою структури і несучого хвилеводу;? - Довжина хвилі у вакуумі; N --число інтерферують променів (каналів); К-порядок спектра. Для хвилеводнихмультиплексорів на основі канальних хвилеводів і волоконних світловодів
(рис. 2.1.б і 2.1.в) різниця?? в наведених формулах повинна бутизамінена на значення ефективного показника заломлення відповідниххвилеводів. При цьому для ВСА відбивної типу необхідно врахуватиподвоєння оптичного шляху в диспергуючих структурі, тобто?? повинна бутизамінена на 2?. У всіх перерахованих випадках дисперсійний множниквиявляється більш складним, ніж для об'ємного ешелону Майкельсона, зважаючихвильове розповсюдження випромінювання. Для ВСА (ріс.2.1.а) він може бутипредставлений у вигляді: b =??-?(???/??)-?? j (???/? nj) (? nj /??) (1.3)де nj - показники заломлення середовищ, що утворюють хвилеводи. Другий ітретій члени, що входять до (1.3), визначаються волноводной дисперсією іматеріальної дисперсією середовищ, що утворюють хвилеводи, з урахуванням частки потужностівипромінювання, що розповсюджується в кожній середовищі, відповідно доспіввідношенням?? 1,2 /? nj = (nj /? 1,2) (Pj/P?), де Pj-потужність випромінювання,що розповсюджується в j-й середовищі, a P? - Загальна потужність випромінювання вхвилеводі, яка, в свою чергу, визначається його параметрами. Аналіззалежно дисперсійного множника від? 1,? 2 і?? показав, щовизначають його члени можуть мати як негативні, так і позитивнізначення, а величина цього множника може в кілька разів перевищуватизначення ??.

Схеми, наведені на рис. 1. можуть бути виконані і гібридному абохвильове варіанті. У першому випадку введення оптичних сигналів (? 1, ...
? n) в несе хвилевід і далі в диспергуючих систему здійснюється здопомогою лінзи і призми зв'язку або безпосередньо від НД за допомогоюволноводной лінзи. На виході диспергуючих системи в фокальній площинівихідний лінзи спостерігається спектр прийнятих сигналів. На основітеоретичних досліджень були виготовлені відповідні макети зрозрахунковими заданими параметрами та отримані результати узгоджуються. УЗокрема, на волоконно спектроаналізатор (ріс.2.1.в) з роздільною здатністю 106було продемонстровано дозвіл поздовжніх мод He-Ne лазера, віддалениходин від одного на 0,08 А.

Перспективним напрямком у розвитку ВСМ є об'єднаннядисперсійного і фокусуючого елементів. Вперше таке об'єднання булозапропоновано та здійснено шляхом створення квадратичного фазовогорозподілу на виході диспергуючих системи, одержуваного в результатіневеликого зміни довжин оптичних каналів диспергуючих системи.
Фокусування спостерігалася в планарним хвилеводі в фокальній площиніфокусуючий системи. Зараз описана схема з незначними змінамивикористовується в більшості робіт, присвячених ВСМ/Д. У такій схемі вхіді вихід диспергуючих системи пов'язані з допомогою двох зорянихз'єднувачів і волноведущіх пластин, що виконують роль фокусуючихелементів (рис. 2.2). Оптичні сигнали на фіксованих
ріс2.2довжинах хвиль (? 1, ...? n) надходять з волоконного світловода на вхід одногоз зоряних з'єднувачів, проходять по планарними хвилеводу і збуджуютьканальні хвилеводи диспергуючих системи. Останні мають постійнурізниця оптичного шляху між сусідніми каналами. У другому зоряномуз'єднувачі оптичні сигнали розділяються просторово по довжинах хвиль
(? 1, ...? N) й фокусуються на торці вихідних нд Таким чином,відбувається демультиплексування вхідних оптичних сигналів. При зворотномуході променів схема працює як мультиплексор.

У наведених вище схемах передбачалося використання одномодовиххвилеводів і, відповідно, одномодового режиму роботи, для якоговиконується умова фазового узгодження при довжині хвилі? '?? h/K (або
? '?? 1h/K для канальних хвилеводів). Так як ефективні показникизаломлення для ТЕ і ТМ мод у хвилеводах розрізняються через зазвичай маємісце двулучепреломленія, та умова фазового узгодження для них такожбуде відрізнятися. Для компенсації різниці ефективних показниківзаломлення був запропонований ряд методів. Найбільш що обіцяє для ВСМ/Дпредставляється метод полуволновой платівки, яка вставляється в канавкув середині волноводной матриці (див. ріс.2.2). Щоб змінити напрямокполяризації від ТЕ до ТМ моді і навпаки, її головна вісь встановлюється підкутом 45 ° до поверхні хвилеводу. Довжини хвиль падаючих ТЕ і ТМ мод будутьскориговані відповідно до рівності:

? '? TE? L/2 +? TM? L/2/K -

- для падаючої ТE моди,

? '? TM? L/2 +? TE? L/2/K -

- для падаючої ТM моди,де? TE і? TM - ефективні показники заломлення хвилеводів для ТЕ та ТМмод відповідно. Як бачимо, залежність від поляризації повністюкомпенсується за допомогою цього методу. Даний метод відрізняється тим, щодля виключення залежності від поляризації немає необхідності у зменшеннідвулучепреломленія хвилеводів. У разі ВСМ/Д на основі хвилеводів з
SiO2/Si використовується кварцова пластина, так як її показник заломленняблизький до показників заломлення хвилеводів.

Слід відзначити також метод виключення поляризаційною залежності здопомогою осадження аморфної кварцовою плівки на хвилевід. Плівка маєзалишкову деформацію і компенсує хвильове двулучепреломленіе.
Перевага цього методу полягає в тому, що при його використаннінадлишкові втрати внаслідок введення плівковою волноводной вставки можутьбути зменшені до 0.4 дБ. Таким чином, пропоновані методи можутьзабезпечити практичну реалізацію ВСМ/Д з поляризаційною незалежністюі низькими вводяться втратами.

2 Реалізація ВСМ/Д.

Виходячи з перспектив використання ВСМ стосовно зв'язку особливузначимість набувають такі характеристики, як затухання оптичнихсигналів у процесі проходження через мультиплексор, максимальнекількість каналів, площина амплітудно-частотної характеристикимультиплексора по каналах у всій смузі довжин хвиль (частот) мультиплексораі в межах окремого каналу, перехресні перешкоди, незалежність відполяризації і, нарешті, вартість пристрою. Розглянемо деяківаріанти реалізаціїВСМ.

хвильове спектральні мультиплексори/демультіплексори (ВСМ/Д) на
SiO2. Важливе значення для використання мультиплексорів мають втрати впристрої, які включають втрати в прямолінійних хвилеводах, навигинах, в зоряних з'єднувачах, при стикуванні планарних хвилеводів зканальними хвилеводу і з волоконних світловодів. Об'єднуючи всі втрати,прийнято мати на увазі втрати "на кристалі", тобто в волноводной схемі, івтрати при передачі волокно-волокно. В останньому випадку включаються втратина стиковку вхідного НД з планарним хвилеводом зоряного з'єднувача івтрати під час введення випромінювання з другим зоряного з'єднувача у вихідні нд
(див. рис. 2.2).

Втрати у хвилеводах і при вигині канальних хвилеводів можна звести домінімуму шляхом вибору відповідних матеріалів хвилеводів, їх параметріві досить великого радіуса кривизни. Втрати при з'єднанні канальниххвилеводів з планарними хвилеводів зоряних з'єднувачів можуть бутизначними. Для їх зменшення запропоновано використовувати рупори,звужуються хвилеводи, змінювати відстані між вихідними кінцямиканальних хвилеводів і т. п. Для волноводной системи SiO2/Si втрати припередачі волокно - волокно склали 2,3 ... 2,8 дБ. При цьому втрати накристалі відповідають 1,7 дБ.

Систематичне вивчення втрат у ВСМ було проведено за допомогоюпрограми, що враховує поширення випромінювання в тривимірномупросторі. Зокрема, було вивчено вплив різних параметрівканальних хвилеводів (товщина пластини, ширина хвилеводу, висота гребеня іін) на втрати при передачі потужності з канальних хвилеводів в областьзоряного з'єднувача. Область переходу канальних хвилеводів до зоряногоз'єднувачі і їх поперечний переріз показані на рис. 2.3, 2.4.
Поля у цих хвилеводах можуть бути пов'язані з полем на іншій сторонізоряного з'єднувача за допомогою перетворення Фур'є. Оскільки всі каналифокусуються в точці на іншій стороні зоряного з'єднувача і оскількиканали утворюють періодичну матрицю, потрібно тільки змоделювати поле,що виходить з окремого каналу. Поля, які утворюються в результатізбудження іншими каналами, виходять шляхом суперпозиції. Приобчисленні полів розглядається поширення світла від одиночногохвильове каналу до кінця матриці, потім обчислюється перекриття полів змодами волноведущей пластини, щоб визначити поля, прийняті за допомогоюзоряного з'єднувача, і після цього здійснюється швидке перетворення
Фур'є. У результаті виходить поле на іншому кінці зоряного з'єднувача.

Вивчення втрат показало, що для отримання максимального коефіцієнтапередачі через зоряний з'єднувач слід використовувати товстіхвильове шари, малу різницю показників заломлення хвильове шаруі підкладки, короткі Гребнева хвилеводи і великі чинники заповнення
(w/a). Для ВСМ (WGR-Waveguide Grating Router), показаного на рис. 2.4 іщо має оптимальні параметри хвилеводів (товщина волноведущей пластини t
= 0,5 мкм, висота і ширина h w гребеня дорівнює відповідній