Применение волоконных брэгговских решеток. Врб и дпвр в системах волоконно-оптической связи.
Фотоиндуцированные волоконные решетки ПП находят широкое применение в различных устройствах волоконной оптики. Прежде всего они используются в качестве спектрально-селективных элементов в системах волоконно-оптической связи, в различных типах волоконных лазеров и усилителей, а также в системах измерения физических величин.
Брэгговские и длиннопериодные решетки в системах волоконно-оптической связи. Постоянно растущая потребность в увеличении скорости передачи информации, связанная с развитием средств телекоммуникаций, увеличением информационных потоков, ростом глобальных информационных систем и баз данных, а также с расширением числа пользователей, привела к тому, что волоконно-оптические линии связи стали разрабатываться с применением спектрального мультиплексирования оптических каналов (WDM). В настоящее время уже разработаны соответствующие стандарты линий связи с повышенной спектральной плотностью каналов (DWDM), устанавливающие расстояние по частоте между соседними каналами 50 ГГц (около 0.4 нм). В экспериментальных линиях связи скорость передачи по одному каналу превышает 40 Гбит/с, в то время как общее их число достигает 200. Общая скорость передачи информации в такой линии связи составляет 8 Тбит/с и более.
Очевидно,
что для успешной работы таких линий
связи требуются устройства ввода/вывода
отдельных спектральных каналов, которые
могут быть успешно реализованы на основе
ВБР. Одна из возможных схем такого
селектора оптического канала с длиной
волны
N,
построенная на основе брэгговской
решетки с высоким коэффициентом отражения
и двух оптических циркуляторов, приведена
на рис.1.
Рис.1. Оптическая схема устройства для ввода/вывода заданного спектрального канала в волоконно-оптической линии связи.
Факторами, ограничивающими применение ВБР в этом случае, являются наличие боковых максимумов в спектре решетки (см. рис.3), а также оптические потери, вызванные возбуждением мод оболочки на структуре решетки.
Для подавления боковых максимумов применяют аподизацию ВБР. Ряд подходов был предложен и для подавления резонансного возбуждения оболочечных мод, что позволило снизить указанные потери до уровня менее 0.1 дБ.
Одним из факторов, ограничивающих скорость передачи информации в современных линиях связи, является хроматическая дисперсия ВС, которая вызывает уширение и даже перекрытие несущих информацию лазерных импульсов. В стандартных ВС на длине волны 1.55 мкм дисперсия групповых скоростей составляет около 17 пс*нм-1* км-1, поэтому, несмотря на низкие потери стандартных ВС (~ 0.2 дБ/км), при скорости передачи 40 Гб/с расстояние, на которое можно передать информацию, не превышает 10 км. Для того чтобы увеличить это расстояние при использовании уже проложенных ВС, необходимо компенсировать их дисперсию.
Это можно осуществить с помощью компактного волоконного элемента, каковым является ВБР с переменным периодом (чирпированная ВБР). Такая решетка способна вносить определенную временную задержку между спектральными компонентами импульса (рис.2) и таким образом восстанавливать исходную форму импульса.
Рис. 2. Оптическая схема компенсатора дисперсии, построенного на основе ВБР с переменным периодом.
Как правило, для компенсации дисперсии требуются решетки большой длины, которые записываются через фазовую маску. В настоящее время уже получены качественные решетки длиной свыше 1м. Достигнутая дисперсия в решетках с переменным периодом более 1000пс/нм позволяет компенсировать уширение импульсов на 50-километровом отрезке стандартной волоконно-оптической линии на длине волны 1.55 мкм.
Для передачи информации на большие расстояния помимо компенсации дисперсионного расплывания импульсов нужно усиливать оптический сигнал. Как правило, через каждые 50-100 км линии связи (на длине волны 1.55 мкм) для усиления сигнала используются эрбиевые волоконные усилители. Ясно, что для одновременного усиления нескольких параллельных оптических каналов коэффициент усиления по длине волны в используемом спектральном диапазоне должен быть почти постоянным (как правило, его вариации не должны превышать нескольких десятых децибела). К сожалению, эрбиевые усилители имеют значительно большие спектральные вариации коэффициента усиления, которые зависят от многих факторов, таких как концентрация ионов эрбия и его локальное окружение, длина волны и интенсивность накачки усилителя, длина активного ВС и др. Использование волоконных решеток позволяет модифицировать спектр усиления, сделав его более гладким, или исправить нежелательные спектральные искажения, возникшие после усиления сигналов. Подробный обзор применения волоконных решеток для этой цели приведен в работе. Отметим лишь, что для выравнивания спектра усиления могут использоваться ВБР с перпендикулярными и наклонными по отношении к оси ВС штрихами, а также ДПВР.
Для иллюстрации на рис.3 представлены результаты одной из первых работ, в которой однородная ДПВР была применена для выравнивания спектра усиления эрбиевого усилителя. Была достигнута неравномерность кривой усиления менее 1 дБ при коэффициенте усиления более 30 дБ в спектральной полосе 35 нм. В настоящее время использование спектральных фильтров позволяет получать неравномерность коэффициента в той же спектральной полосе на уровне 0.1 дБ и лучше.
Рис. 3. Спектры усиления волоконного эрбиевого усилителя - исходный (1) и выровненный с использованием ДПВР(2)