Оптические мультиплексоры с добавлением и отводом каналов.

Оптический мультиплексор с добавлением и отводом каналов (МД/О) является устройством, предоставляющим одновременный дос­туп ко всем каналам на соответствую­щих длинах волн в системах связи с ВСМ/Д. В англоязычной литера­туре используется терминология Add/ Drop Multiplexer (A/DM). На рис. 2.12 приведена конфигурация такого волноводного 16-ти канального оптического мультиплексора. Его устройство состоит из четырех ВСМ/Д и 16-ти двухпозиционных термооптических (ТО) переключателей.

Рис. 2.12

Четыре ВСМ/Д с оди­наковыми параметрами расположены в месте пересечения их планарных фокаль­ных областей. В диапазоне 1.55 мкм спектральные интервалы между канала­ми и область дисперсии составляли 100 и 3300 ГГц (26,4 нм) соответственно. Сиг­налы, поступающие с мультиплексора (l₁, l₂, ... l₁₆) с равными спектральными интервалами между ними, поступают на главные входные порты (добавленные порты). Разделившиеся с помощью ВСМ/Д1 (ВСМ/Д2) 16 сигналов вводятся в левые плечи (правые плечи) ТО пере­ключателей. Любой оптический сигнал, введенный в двухпозиционный ТО пере­ключатель, проходит через кросс-порт одного из четырех итерферометров Ма­ха-Цендера, прежде чем достичь выход­ного порта. С другой стороны, любой сигнал с определенной длиной волны может быть удален из главного выход­ного порта и приведен к отводящему порту после изменения соответствующе­го условия в переключателе. Сигнал с той же самой длиной волны, что и отведенный, может быть добавлен в главный выходной порт, если будет по­ступать на добавленный порт (рис. 12). Например, если ТО переключатели SW₂, SW₄, SW₆, SW₇, SW₉,SW₁₂, SW₁₃ и SW₁₅находятся в положении "Вкл.", выделен­ные сигналы l2, l4, l6, l7, l9, l12, l13 и l15 выводятся из главного выходного порта (сплошная линия) и присоединяются к отводящему порту (пунктирная линия), как показано на рис. 2.13.

Рис. 2.13

Перекрестные помехи для положений "Вкл. - Выкл." оказались меньше 28,4 дБ при потерях на кристалл 8...10 дБ. Как видим, МД/О весьма привлекательны для всех систем связи с ВСМ/Д и позволяют оптической сети быть прозрачной для сигналов с большими битовыми скоростями и фор­матами.

Перспективы широкого практическо­го применения МД/О привлекли иссле­дователей к разработке средств проекти­рования сложных фотонных интеграль­ных цепей. Для четырехканального МД/О был предложен метод иницииро­вания проекта на символическом уровне, а также моделирование (начиная с этого уровня) и создание маски макета. Использованная система автоматическо­го проектирования базировалась на известной специализированной системе проектирования для СВЧ-диапазона.

Моделирование фазара выполнялось в два этапа: сначала создавалась геомет­рия фазара с желаемой спецификацией, в которую включалось определенное чис­ло входных и выходных портов, цент­ральная длина волны и спектральный интервал между каналами, затем моде­лировалось распространение волн через фазар.

Проект геометрии фазара имел два звездных соединителя, связанных матрицей пря­молинейных и изогнутых волноводов. Фазар с N входными и М выходными волноводами описан с помощью (N +M) х (N + M) S-матрицы. Элемен­ты матрицы S_iJ вычислялись следующим образом. Сначала определялось поле, излучаемое из порта i, и коэффициенты связи с каждым волноводом матрицы. Затем вычислялось распростране­ние волн в каждом волноводе с учетом потерь на переходах и излучение в изогнутых волноводах. Наконец, с по­мощью того же метода, что и для входных портов, определялись коэффи­циенты связи между каждым волново­дом матрицы и выходным волноводом j.

Пример символического представле­ния матрицы фазара 6 х 6 вместе с маской схемы показан на рис. 2.14.

Рис. 2.14

На следующей стадии проектировалась мо­дель МД/О, состоящего из фазара 6 х 6 и обратных волноводных петель. В траек­тории петель включены переключатели типа интерферометров Маха-Цандера, которые открывают и закрывают петли. Символическое представление МД/О приведено на рис 2.15.

Четырехканальный МД/О с кон­струкцией, идентичной рассчитанному проекту, был реализован на основе InP. Сравнение результатов моделирования и измерений показало сдвиг макси­мума полосы пропускания отдельного

Рис. 2.15

канала на 9 нм. Главным образом это было следствием различия между спроектированной и изготовленной волноводными структурами. Потери составили 7 … 9 дБ, остаточный сигнал в полосе соседнего сигнала оказался примерно па 30 дБ ниже исходного сигнала. Эти значения находятся в хорошем согласии с рассчитанными.

Выводы.

Волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры являются ключом к решению проблемы использова­ния всей чрезвычайно широкой полосы пропускания волоконных световодов. Наибольшее развитие получили ВСМ/Д, выполненные на основе SiО₂/Si и на InP. Первые обладают меньшими потерями на кристалл, в то время как полупроводни­ковые пассивные оптические интеграль­ные схемы могут быть непосредственно интегрированы с источниками излучения, усилителями, фотодетекторами и др. При этом на одной подложке могут быть объединены оптические и электронные компоненты. Изготовление оптических волноводных спектральных мультиплек­соров выполняется методами стандартной (вы­сококачественной) литографии. Соедине­ние оптических планарных интегральных цепей с волоконными световодами доста­точно разработаны и не вносят существен­ных потерь. Размеры приборов (без кор­пусов) не превышают 1 - 2 см. Такие характеристики предвещают быстрое раз­витие производства дешевых, коммерче­ски приемлемых приборов нового поколе­ния не только для дальней связи, но и для местной широкополосной связи типа дом - дом.

3. Применение оптических циркуляторов в волоконно-оптических системах передачи

Эволюция развития волоконно-оптических сис­тем передачи (ВОСП) от простых линий передачи к более совершенным системам с оптической обработкой сигнала стимулирует создание новых оптических устройств, обладаю­щих невзаимными свойствами, - оптических изоляторов (ОИ) и

оптических циркуляторов (ОЦ). В свою очередь применение таких устройств в аппаратуре ВОСП позволяет расширить функциональные возможности и улучшить характеристики ВОСП.

Оптический циркулятор представляет собой пассивное трех- или четырехпортовое оптическое устройство, которое благодаря своим невзаимным свойствам может распределять поступающее оптическое излучение в различные порты в зависимости от направления распространения излучения. Невзаимность свойств ОЦ (так же, как и ОИ) обусловлена эффектом невзаимного поворота плоскости поляризации (Эф­фект Фарадея) в магнитоупорядоченных кристаллах, в частно­сти, в кристаллах ферритов-гранатов.

Рис.3.1

Схема работы простого трехпортового ОЦ (Y-типа) по­казана на рис.3.1.а. Оптическое излучение, которое поступает через порт 1, выходит через порт 2. Однако излучение, поступающее в обратном направлении через порт 2, направ­ляется в порт 3, а не в порт 1. Поэтому при использовании двух соседних портов ОЦ функционирует как обычный ОИ, а при использовании всех трех портов может осуществляться двуна­правленная передача по одному волокну.

В общем случае ОЦ (Х-типа) имеет четыре порта (рис.3.1.б). Аналогично предыдущему оптический пучок, входящий через порт 3, выходит через порт 4, а входящий через порт 4, выходит через порт 1. Для большинства применений ОЦ достаточно использование первых трех портов.