Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).

  Возможности современной волоконно-оптической связи позволяют организовать интерфейсы между компьютером и его периферийными уст­ройствами, между  серверами в центрах обработки данных, для передачи данных от платы к плате, от микросхемы к микросхеме и от элемента к элементу внутри самой микросхемы.

В современных системах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), в измерительной и компьютерной технике уже нашли широкое применение различные дискретные активные и пас­сивные оптические элементы (ответвители и разветвители, пере­ключатели, оптические изоляторы, циркуляторы, поляризаторы и мультиплексоры/демультиплексоры и др.).

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устрой­ство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяет­ся между его остальными оптическими полюсами. Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чув­ствительные к длине волны и нечувствительные.  В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и пе­редачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться мес­тами в функциональном смысле. Разветвитель является многопортовым устройством. Портом называется входная или выходная точка для света. На рис. 1 представлена схема четырехпор­тового разветвителя. Стрелками показаны на­правления возможных потоков света внутри разветвителя. Изображенный разветвитель является пассивным и двунаправленным. Порты 1 и 4 могут служить в качестве входных, а порты 2 и 3  -  выходных.

Рис. 1. Четырехпортовый двунаправленный разветвитель.

 Основные категории оптических разветвителей следующие: древовидный разветвитель; звездообразный разветвитель; ответвитель. Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию - объединение нескольких сигналов в один выходной (рис.3, а).

 Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные. По­этому разветвитель может выполнять и функцию объединения сигналов. Т-разветвитель является трехпортовым устройством (на рис. 2 пред­ставлена типичная схема локальной сети с общей шиной). Разветвитель ус­танавливается на каждом узле и служит для отвода части энергии от шины.

Рис. 2. Локальная сеть с Т-разветвителями.

 Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных по­люсов. Оптический сигнал приходящий на один из входных полюсов  в равной степени рас­пределяется между  выходными полюсами. Разветвители типа звезда являются альтернативой Т-разветвителям и избавлены от многих недостатков. Принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса – цифрами (рис. 3, б). Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. В сети состоящей из N терминалов разветвитель данного типа имеет 2N портов. В универсальных разветвителях типа звезда каждый из портов может работать как на прием так и на передачу (свет попавший на любой из портов может выйти через другой порт).

Ответвитель - это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсам (рис.3, в). Конфигурации ответвителей бывают 1х2, 1х3, 1х4, 1х5, 1х6, 1х8, 1х16, 1х32. Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как боль­шая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убыва­ния мощности.

Рис. 3. Типы разветвителей:  а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель; в) ответвитель.

 Оптические переключатели осуществляют механическую, без оптоэлектронного преобразования, коммутацию одного или нескольких оптических сигналов, переходящих из одних волокон в другие. При этом управление процессом переключения может быть осуществлено при помощи электрического потенциала. Реализации отличаются функциональными возможностями. Различают несколько типов оптических переключателей:

- переключатель 1xN - имеет один входной полюс, сигнал из которого перенаправляется в один из N выходных (рис. 4 а);

- дуплексный переключатель 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 2 (рис. 4 б);

- блокирующий переключатель 2xN - имеет два входных полюса, но только один сигнал из двух входных можно передать в выходной полюс - оставшийся сигнал не выходит наружу (рис. 8 в);

- неблокирующий переключатель 2xN - имеет два входных полюса, сигналы из которых могут перенаправляться в выходные полюсы с шагом 1 (рис. 4 г).

Количество выходных полюсов в зависимости от модели может быть от двух до не­скольких десятков.

Рис. 4. Типы оптических переключателей.

Оптические изоляторы – это еще один компонент систем на базе ВОЛС. Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей, в особенности от мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями. В ре­зультате такого отражения часть энергии возвращается обратно. Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазе­ра, способен индуцировано усиливаться, приводя к возникновению паразитному сигналу. Особенно это не желательно, когда источник излучения генерирует цифровой широкополосный сигнал (>100 МГц), или аналоговый широкополосный сигнал (в смешанных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения до 1 ГГц). В сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов и другие оптические устройства (разветвители, WDM устройства, оптические усилители), такая обратная связь усиливается и приводит к росту уровня шума источника излучения. Наиболее кардинальный способ подавления обратного по­тока основан на использовании оптических изоляторов. Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направле­нии с большим затуханием. Оптические изоляторы сегодня являются ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей, а также используются в качестве отдельного элемента оптической линии связи. Оптические изоляторы часто интегрируются в лазерный передающий модуль.

Оптические  циркуляторы (еще одно волоконно-оптичес­кое устройство) могут иметь один вход и два вы­хода, или два входа и два выхода, оптические циркуляторы явля­ются 3-х или 4-х портовыми. Распределение излучения между этими портами определяется направлением распространения. На рис. 5 (а и б) представлены схемы соответственно 3-х и 4-х портовых циркуляторов.

Циркулятор, соответствующий рис. 5а ( Y - циркулятор), об­ладает следующими свойствами: излучение, входящее в порт 1, про­ходит к порту 2 однако, излучение, введенное в порт 2, не возвра­щается в порт 1, а проходит в порт 3, излучение, введенное в порт 3, не проходит в порт 2.

Циркулятор, выполненный по схеме рис. 5б, обладает следую­щими свойствами: излучение, введенное в порт 1, проходит к порту 2; излучение, введенное в порт 2, выходит из порта 3; излучение, введенное в порт 3, проходит в порт 4, а введенное в  порт 4 - выходит из порта 1. Собственно говоря, этот тип циркулятора пред­ставляет собой два циркулятора Y-типа, соединенные параллельно. Принцип работы оптического циркулятора аналогичен принципу работы изолятора. Отличие состоит в том, что кроме элементов,

Рис. 5. Схемы оптических циркуляторов.

 имеющихся в изоляторе, в циркулятор введена трехгранная призма, которая пропускает излучение в одном направлении по прямой, и в противоположном - отклоняет его на 90°.

Оптические мультиплексоры/демультиплексоры. Системы с многоволновым уплотнением - WDM, DWDM и CWDM были бы невозможны без устройств объединения простран­ственно разделенных оптических информационных потоков в один поток с общим направлением (на передаче) и уст­ройств, выполняющих обратную операцию (на приеме). Эта задача решается с помощью мультиплексоров/демультиплксоров. Кроме систем ВОЛС с DWDM, мультиплексоры применяются в волокон­но-оптических усилителях, в локальных сетях при волновой марш­рутизации и в некоторых других случаях. По характеру решаемой задачи мультиплексоры можно разделить на два типа: мультиплексоры, объединяющие небольшое количество спектральных каналов (не более 4-х) при расстоянии между канала­ми по длине волны не менее 20 нм; мультиплексоры, объединяющие количество спектральных каналов более 4-х - 8, 16, 32 и более при расстоянии между спектральными каналами 0,4...1,6 нм. Первый тип мультиплексора основан на использовании интер­ференционных фильтров - пластин с многослойным покрытием.

Рис. 6. Принципиальная схема двухканального мультиплексора

На рис. 6 представлена схема работы такого мультиплексора. Оптический поток с дли­ной волны l₁ падает на многослойную пластину, наклоненную под углом к падающему лучу. Угол наклона и толщина слоев выбрана такими, чтобы для волны l₁ пластина была прозрачной. В резуль­тате луч с учетом небольших потерь проходит через пластину. Для других длин волн пластина непрозрачна. Поэтому при падении на пластину луча с l₂ в точке выхода первого луча, он отразится от пластины и при правильно выбранном угле падения будет распро­страняться в том же направлении, что и луч с l₁.

В реальных муль­типлексорах этого типа в качестве многослойной пластины исполь­зуется торец оптоволокна, скошенный под углом 30...45⁰ с нанесенными на него слоями покрытия. Мультиплексоры этого типа широко применяются в волокон­но-оптических усилителях и в малоканальных системах ВОЛС с CWDM. В высокоскоростных системах ВОЛС с DWDM применяются оп­тические мультиплексоры, основанные на использовании дифрак­ционных фазовых решеток.

Рис. 7. Принцип построения и  устройство волоконно-оптическою мультиплексора

 На рис. 7 показано устройство мультиплексора, из рисунка  видно, что каждый поток должен па­дать на все торцы волноводов. Для этого применяются специальные оптические элементы, коллимирующие или фокусирующие оптичес­кий поток. Опти­ческий поток, представляющий собой сумму отдельных потоков поступает на коллимирующий элемент (первая пластина), в которой происходит распределение энергии на все торцы волно­водов, образующих волновую матрицу (эшелон Майкельсона). С его выхода поток подается на вторую пластину, распределяющую от­дельные потоки на торцы соответствующих волокон. Все перечисленные элементы расположе­ны на кварцевой подложке. Как видно из рисунка, в таком мультиплексоре потери энергии происходят при вводе или выводе излуче­ния в волноводную пластину (1-ю и 2-ю) в месте стыка этих пластин с волновой матрицей, в изгибах волноводов, составляющих эту мат­рицу. Это устрой­ство обладает свойством обратимости, или взаимности, т.е. одно и то же устройство может выполнять функцию объединения простран­ственно разделенных потоков в один поток (мультиплексор) или наоборот - функцию пространственного раз­деления единого оптического потока на отдельные потоки с соот­ветствующими длинами волн. Волоконно-оптические мультиплек­соры для систем WDM производит ряд зарубежных фирм.

Следует отметить, что в системах WDM каждый спектральный канал занимает весьма малую полую полосу частот или длин волн(менее 50 ГГц или 0,4 нм). Поэтому очень высокие требования предъявляются не только к стабильности частоты излучения, но и к стабильности частотных характеристик селективных оптических элементов, в особенности мультиплексоров/демультиплексоров (величина темпера­турной зависимости ухода настройки частоты - 0,011 нм/град). При такой величине ухода, если температура мультиплексора изменит­ся на 20...40°С, его частота настройки уйдет на 0,2...0,4 нм, т.е. на целый межканальный интервал, что приведен к срыву работы систе­мы WDM. Для устранения этого недостатка оптические мультиплексоры содержат элементы стабилизации температуры. По способу стаби­лизации температуры мультиплексоры бывают "горячего" и "холод­ного" типов. "Горячие" мультиплексоры содержат нагреватель и датчик температуры (терморезистор). В таком мультиплексоре темпе­ратура поддерживается постоянной с точностью ±1°С на уровне +100°С. Для поддержания такой температуры требуется элект­ропитание с напряжением постоянного тока 5 В и мощностью потребления 3 Вт. В "холодном" мультиплексоре температура на уровне 25°С под­держивается с помощью микрохолодильника (элемент Пельтье). Для этого требуется питание с напряжением постоянного тока +5 В при мощности 5 Вт. Для автоматической стабилизации темпера­туры разработаны соответствующие электронные схемы и устрой­ства. Мультиплексоры функционально - пас­сивные элементы, но для нормальной работы требует электрическо­го питания.

          Возможности волоконной оптики в компьютерных технологиях только начинают реализо­вываться. Уже сейчас волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле и микроволновой технологии, возможности которых имеют меньший потенциал развития, чем начинающая развиваться волоконно-оптическая технология.