4.8. Ответвители и разветвители. Мультиплексоры и демультиплексоры

Ответвители и разветвители. В системах, где не используется спектральное уплотнение сигналов, т. е. рабочая длина волны занимает узкую полосу спектрального диапазона, волоконно-оптические ответвители и разветвители предназначены

для деления оптической мощности между двумя или несколькими каналами передачи. Эти устройства должны быть согласованы с. входным и выходными участками системы, т. е. заканчиваться либо отрезками волоконных световодов, либо разъемными соединителями. К ним также предъявляются требования стабильности параметров, надежности и технологичности.

Оптические ответвители и разветвители характеризуются коэффициентами передачи между каналами и вносимыми потерями где

В настоящее время разработано несколько типов многомодовых и одномодовых оптических ответвителей и разветвителей и способов их изготовления на основе волоконной, микрооптической и планарной технологии.

Рис. 4 43 Волоконно-оптнческие ответвители: а — сварной; б — изготовленный путем механической обработки; в — с зеркалом на скошенном торце волоконного световода; г — изготовленный методом химического травления

Для изготовления ответвителей и разветвителей на основе волоконных световодов наиболее широко применяются сплавление, прецизионная механическая обработка и химическое травление с последующим восстановлением оболочки волоконных световодов.

При сплавлении волоконных световодов (рис. 4.43, а) защитные оболочки удаляют механически или химически. Иногда отражающую оболочку также частично стравливают. Затем световоды на участках, освобожденных от оболочек, перевиваются либо соединяются и затем сплавляются в печи или электрической дуге. Этот способ применяют для изготовления как многомодовых [61, 197 ], так и одномодовых [381] ответвителей, в том числе на световодах, сохраняющих состояние поляризации [380]. При сплавлении волоконных световодов практикуют также создание биконических элементов [16, 111, 207], для чего оттягивают концы световодов в процессе сплавления. Ответвители с биконическими элементами также не изменяют поляризации проходящего излучения. Вносимое затухание в сплавных ответвителях мало , обеспечиваются любые заданные коэффициенты передачи путем непосредственного контроля оптической мощности в процессе сплавления. В связи с отсутствием участков с открытым распространением света параметры устройств стабильны при изменении температуры и других внешних воздействиях. Однако данный метод

сложен и трудоемок, необходима индивидуальная технология изготовления для каждого вида ответвителя.

При изготовлении ответвителей методом механической обработки (рис. 4.43, б) [300, 367, 368] волокна, предварительно освобожденные от защитных оболочек, вклеивают с заданным радиусом изгиба в кварцевые блоки или капилляры и затем сошлифовывают часть отражающей оболочки таким образом, чтобы после склеивания двух блоков происходила эффективная перекачка мод из одного волоконного световода в другой. Контролируя радиус изгиба и толщину сошлифованного слоя, обеспечивают заданные коэффициенты передачи. Применяется также следующий вариант изготовления ответвителей методом механической обработки: два световода отшлифовываются до половины диаметра сердцевины, после склеивания на выходе образуется торец, диаметр которого равен диаметру одиночного световода. Методом механической обработки изготавливают многомодовые и одномодовые ответвители. В одномодовых ответвителях на основе сохраняющих состояние поляризации волоконных световодов поляризация излучения после прохождения ответвителя не изменяется. Возможно создание перестраиваемого ответвителя [140] за счет изменения расположения световодов. Вносимые оптические потери в ответвителях этого типа малы (0,5-1 дБ), можно обеспечить любые заданные коэффициенты передачи, но они изменяются в зависимости от температуры. Наличие клееных соединений в принципе должно ухудшить стабильность параметров при влиянии других факторов.

Достаточно прост метод изготовления оптических ответвителей, основанный на применении многослойных интерференционных покрытий [314, 390]. На скошенном торце волоконного световода изготавливают зеркало с заданными коэффициентами отражения и пропускания. Для уменьшения потерь в случае расходимости луча, падающего на скошенный торец, применяют также микролинзы на торцах волокон. Этим методом изготавливают многомодовые ответвители, имеющие приемлемое значение вносимого затухания (1,5-2 дБ). Метод, видимо, не применим для создания одномодовых ответвителей. Наличие свободного распространения света или клееного соединения должно ухудшать стабильность параметров при внешних воздействиях. Основными достоинствами являются относительная простота изготовления, надежность и возможность применения групповой технологии.

При химическом методе изготовления ответвителей [234, 373] волоконные световоды очищают от защитных оболочек, переплетают неочищенные участки и осуществляют травление отражающей оболочки. После достижения заданных коэффициентов передачи, контролируемых по выходному сигналу непосредственно в процессе травления, волокна промывают и осуществляют восстановление оболочек, например из стеклянного тигля. Этот метод также характеризуется малыми вносимыми затуханиями

и позволяет достичь заданных коэффициентов передачи. Достоинствами метода являются сохранение состояния поляризации и минимальное искажение структуры распространяющегося излучения, недостатками — высокая трудоемкость, необходимость применения индивидуальной технологии.

Таким образом, все методы изготовления ответвителей на основе волоконных световодов обеспечивают малые оптические вносимые потери, заданные коэффициенты передачи. Ответвители, полученные методами сплавления, меахнической обработки и химического травления, обеспечивают сохранение состояния поляризации. Лучшая стабильность параметров достигается у ответвителей, полученных методами сплавления и химического травления, которые вносят наименьшие изменения в структуру оптического излучения.

Рис. 4.44. Микрооптнческие ответвители. а — с зеркалом, установленным под углом 45° к падающему лучу, б — с зеркалом, перпендикулярным к падающему лучу, 1 — волоконные световоды; 2 — микролинзы, 3 — зеркало с заданным коэффициентом прозрачности

Все методы изготовления волоконных ответвителей трудоемкие, требуют сложной прецизионной технологии.

Действие микрооптических ответвителей (рис. 4.44) основано на преобразовании оптического излучения в коллимированный луч, перераспределение энергии в котором легко обеспечить с помощью зеркал с заданными коэффициентами пропускания и отражения. Ввод излучения в выходные волоконные световоды осуществляют с помощью фокусирующих элементов. Разработаны оптические ответвители, в которых используются в качестве коллимирующих элементов сферические [261], градиентные стержневые [372] и трехмерные интегральные линзы [185]. Конструктивно и технологически различаются микрооптнческие ответвители, в которых зеркала устанавливаются перпендикулярно к коллимированному лучу (рис. 4.44, б) и под углом 45° (рис 4.44, а). Ответвители первого типа, изготовленные на основе стержневых и интегральных градиентных линз, обеспечивают жесткое крепление волоконных световодов к поверхностям линз и не имеют участков свободного распространения света. Вносимые потери для многомодовых ответвителей составляют порядка 1 дБ, коэффициенты передачи определяются параметрами зеркал, как правило, изготовляемых непосредственно на плоской поверхности линз. Основные технологические проблемы связаны с точностью позиционирования и крепления линз и волоконных световодов. Разработаны одномодовые ответвители с перпендикулярным положением зеркала с использованием сферических сапфировых линз.

В них вносимые потери насчитывают 1,5-2 дБ. Нет принципиальных ограничений на создание одномодовых ответвителей с использованием стержневых и интегральных градиентных линз, но для этого требуются линзы высокого качества с очень малыми аберрациями.

Установка зеркал под углом 45° более удобна для реализации многомодовых ответвителей, заканчивающихся разъемными соединителями. Ответвители этого типа имеют вносимые потери порядка 2 дБ, обеспечивают любые заданные коэффициенты передачи. Это, видимо, наиболее технологнчный тип многомодовых ответвителей, так как в нем применяется только один однотипный прецизионный узел (линзовый соединитель с волоконным световодом) и изготовление всех элементов ответвителя может осуществляться независимо от других по групповой технологии.

При использовании планарной технологии для изготовления ответвителей [38, 113,2961 применяются либо У-образные разветвители (рис. 4.45, а), либо разветвители, в которых перераспределение энергии происходит в двух близко расположенных полосковых световодах (рис. 4 45, б).

Рис. 4.45. Ответвители на полосковых световодах Многомодовые ответвители изготавливают только первого типа, одномодовые — первого и второго. При создании многомодовых ответвителей серьезной проблемой является согласование модового состава полосковых световодов и соединяемых волоконных световодов, поэтому трудно обеспечить малые (меньше 2 дБ) потери на ввод — вывод излучения.

Изготовление одномодовых ответвителей на полосковых световодах чрезвычайно сложно, поскольку необходимо сформировать световоды с микронными размерами, а также обеспечить надежное соединение волоконного световода с полосковым. Тем не менее изготовлены ответвители, имеющие избыточные оптические потери менее 1 дБ, включая потери на соединение с волоконным световодом. Достоинством планарных ответвителей является возможность применения групповой технологии и обеспечения заданных коэффициентов деления с высокой точностью.

Итак, изготовление ответвителей можно осуществить в любом исполнении: волоконном, микрооптическом, планарном. В целом все способы обеспечивают относительно малые потери и заданные коэффициенты распределения. Для световодных систем связи, где к стабильности параметров не предъявляется жестких требований, широко применяются микрооптнческие ответвители как наиболее технологичные. Проблема минимизации шумов в световодных измерительных системах делает сомнительной

целесообразность применения в таких системах любых элементов со свободным распространением излучения Наличие клееных соединений также может приводить к появлению дополнительных шумов С этой точки зрения лучшими параметрами обладают ответвители, изготавливаемые методами сплавления или химического травления волоконных световодов