2. Оптичні фільтри, мультиплексори та демультиплексори та інші спеціалізовані компоненти.

Оптичні фільтри, мультиплексори та демультиплексори. Оптична фільтрація забезпечується різними пристроями мультиплексування/демультиплексування: фазованими хвилеводними решітками, волоконно-оптичними дифракційними решітками Брега, тонкоплівочними діелектричними інтерференційними фільтрами, резонаторами FP і т. ін.

Фільтри на фазованих хвилеводних решітках звичайно складаються з вирощеного на кремнієвій підкладці тонкого кварцового шару, у якому витравлені хвилеводи з різними довжинами світлового шляху (рис. 13).

Рис. 13. Фільтр (демультиплексор) на фазованій хвилеводній решітці

Пристрій працює за принципом дифракційної решітки, що здійснює просторовий розподіл спектральних каналів між вихідними портами. Подібні фільтри мають до 32 каналів у діапазоні довжин хвиль 1500...1600 нм і забезпечують міжканальні інтервали 0,4 (50 ГГц), 0,8 (100 ГГц) і 1,6 (200 ГГц) нм. Внесені втрати для кожного каналу можуть складати від 6 до 9 дБ. Завади від сусідніх каналів менш –30 дБ. Фільтри на фазованих хвильоводних решітках можуть використовуватися як мультиплексори та демультиплексори багатохвильових сигналів.

Волоконно-оптичні дифракційні решітки Брега являють собою відрізок скловолокна, у серцевині якого виготовлена дифракційна решітка Брега, що працює як спектральний фільтр (рис. 14). На рис. 15 представлена схема оптичного демультиплексора на основі бреговської решітки, налаштованої на хвилю λ_3.

Рис. 14. Волоконний фільтр Брега

Такі пристрої легко зрощуються з іншими волоконно-оптичними компонентами, характеризуються малими внесеними втратами. Однак волоконно-оптичні решітки є 2-портовими пристроями та на практиці повинні поєднуватися з оптичними циркуляторами та відгалужувачами, що призводить до додаткових втрат.

Рис. 15. Волоконний демультиплексор на решітці Брега

Таблиця 3

Характеристики оптичних фільтрів

Тип оптичного фільтра	Втрати, що вносяться, дБ	Інтервал між каналами, нм при взаємних впливах, дБ	Ширина смуги пропускання за рівнем -3 дБ	Діапазон налаштовування	Швидкість налаштовування	Механізм налаштовування
Фабри – Перо	2	2/30	<0,5	10	4 мс	Пьезоелектричний
Рідинний кристал	3	2/30	<0,5	50	1 мкс	Орієнтація кристала
Маха – Зендера	1	0,4/22	<0,2	4	50 нс	Електрооптичний
Бреговська решітка	0,1	1,6/22	<0,2	10	2 мс	Температурне подовження
AWG, хвилеводна решітка	8	0,8/22	<0,2	40	10 мс	Термооптичний

Тонкоплівкові діелектричні інтерференційні фільтри прийнято вважати одним з перспективних шляхів реалізації фільтрації в оптичних системах. Ці фільтри являють собою набір пластин з багатошаровим покриттям. Товщина кожного шару складає від 0,025 до 0,5 λ. Вони були першими стандартизовані в промисловості та застосовуються в системах передачі з 80-х років ХХ-го сторіччя. Вони забезпечують розподіл (об’єднання) від 2 до 4 λ с інтервалами між каналами не менш 20 нм. Однак, ряд робіт, проведених Американською оптичною асоціацією, показали можливість зменшення міжканальної відстані до 0,8 нм (100 ГГц). З’єднання тонкоплівкових фільтрів з резонаторами Фабри – Перо (FP) дозволяє будувати багатоканальні мультиплексори з числом розподілених хвиль до 32 і більш. Приклади характеристик деяких типів оптичних фільтрів приведені в табл. 3.

Оптичні циркулятори будуються на основі ефекту Фарадея. При цьому циркулятор має 3 або 4 порти (рис. 16) і виконані волоконно-оптичними пристроями. Розподіл випромінювання між портами визначається напрямком поширення. У 3-портовому циркуляторі випромінювання, що входить у порт 1, проходить до порту 2; випромінювання, введене в порт 3, не проходить у порт 2. Аналогічно працює 4-портовий циркулятор. Внесені втрати циркулятора – близько 1,2 дБ, гарантована ізоляція портів – більш 40 дБ.

Рис. 16. Схеми оптичних циркуляторів

Компенсатори дисперсії. Дисперсія виступає фактором обмеження швидкості передачі оптичних імпульсних сигналів в ОМ ОВ. Особливо помітно це обмеження на швидкостях 10 Гбіт і вище. Наприклад, при швидкості 2,5 Гбіт/с сигнал може бути переданий на відстань до 1000 км без видимих перекручувань на λ=1,3 мкм у стандартному волокні G.652. Вже при швидкості 10 Гбіт/с дальність передачі не перевищить 60 км у цьому ж волокні, а при швидкості в 20 Гбіт/с вона буде тільки 15 км. Керування дисперсією є важливою частиною проектування лінійних трактів. При цьому необхідно зменшити вплив як хроматичної, так й поляризаційної модової дисперсії.

При побудові компенсаторів дисперсії використовуються методи створення волокон, що компенсують дисперсію, і дифракційні решітки, наприклад, інтегральні та волоконні решітки Брега з лінійною зміною постійних решіток. Приклад використання волоконних решіток Брега в компенсаторі дисперсії приведений на рис. 17.

Волоконні компенсатори хроматичної дисперсії виконуються з волокна з протилежною за характером дисперсією, тобто для ОВ з дисперсією D+ на заданій хвилі або в діапазоні хвиль пропонується використовувати відрізок ОВ з дисперсією D-. При цьому відрізок волокна з D- по довжині істотно менше лінійного волокна з D+. Волокна для компенсації дисперсії укладають у невеликі котушки, легко розташовувані в піддонах апаратури або у вигляді модулів апаратури ВОСП. Відрізки волокон з D- відповідають довжинам компенсації 20, 40, ... 100 км. Внесені додаткові втрати можуть скласти до 8 дБ. Приклад конструкції модуля компенсації дисперсії приведений на рис. 18.

Крім волоконних компенсаторів дисперсії в складі блоків застосовуються компенсатори на хвилеводних решітках, що перебудовуються, які відрізняються малими габаритами, малими втратами оптичної потужності та великим діапазоном перебудови. До таких компенсаторів відноситься TODC (Tunable Optical Dispersion Compensator) компанії CIVCOM. Цей пристрій має діапазон перебудови ±1700 пс/нм, а в реалізації для транспондера: ±2500 пс/нм, втрати потужності не більш 1 дБ, робоча смуга хвиль 1528-1610 нм. Керування перебудовою – електричне. Прилад може використовуватися для ліній однохвильової і багато хвильової передачі з інтервалом між каналами 50 ГГц і швидкістю передачі в кожному каналі до 10 Гбіт/с. Конструкція TODC приведена на рис. 19. Габарити приладу 30x12,7x9,75мм.

Рис. 17. Компенсатор дисперсії на основі волоконної бреговської решітки Рис. 19. Конструкція компактного компенсатора хроматичної дисперсії TODC

Рис. 18. Конструктив модуля компенсації дисперсії волокна SMF (G.652) у діапазоні хвиль 1525-1565 нм у межах –(50....2100) пс/нм для довгих і наддовгих оптичних ліній Рис. 20. Схема перетворення хвилі в конверторі

Перетворювачі довжин хвиль. Для створення цілком оптичних мереж необхідні перетворення довжин хвиль оптичних сигналів, що переносять інформацію. Це перетворення можна здійснити в системі «оптика – електроніка – оптика», відомої як транспондер. Однак, цей пристрій дуже дорогий і складний. Тому одержали розвиток інші методи перетворення без «посередництва» електроніки.

Один з методів хвильової конверсії без оптоелектронного перетворення заснований на використанні феро-електричного кристала, усередині якого створюється періодична структура зі зміною напрямків, що чергується, поляризації для нелінійної оптичної взаємодії 2-х частот (сигналу та накачування). При одночасному поширенні вхідного сигналу та сигналу від лазера накачування відбувається генерація хвилі, що є різницею між хвилями накачування та сигналу (рис. 20).

У процесі перетворення формується різницева частота:

, де n – порядок не лінійності (1)

Як нелінійне середовище може використовуватися відрізок скловолокна з нульовою зміщеною дисперсією (DSF) довжиною 2 км. При цьому повинна бути забезпечене накачування на довжині хвилі, що відповідає виразу:

. (2)

Ефект перетворення довжини хвилі може бути отриманий й в напівпровідниковому оптичному підсилювачі.

Оптичні комутатори та маршрутизатори. Оптична комутація та маршрутизація можуть бути реалізовані на основі різних технологій: механічні оптичні комутатори; електрооптичні; термооптичні; оптоелектронні з напівпровідниковими підсилювачами світла; інтегральні активні хвилеводні; на багатошарових світловодних рідкокристалічних матрицях; на інтегральних схемах з набором матриць оптоелектронних вентилів, зв’язаних оптичним променем; на основі фотонних кристалів.

Зазначені технології дозволяють створювати велику номеклатуру комутаторів. Визначені конфігурації комутаторів можуть забезпечити оптичну маршрутизацію на оптичному вузлі. Порівняльні характеристики деяких типів комутаторів приведені в табл. 4. Оптичні комутатори та маршрутизатори як одиничний елемент містять комутуючі осередки 2-2 (КЯ) (рис. 21). Багатокаскадні комутуючі середовища можуть будуватися з блокуванням і без блокування внутрішніх з’єднань.

Таблиця 4