Komponenty WDM | Teleinf Edu

Wprowadzenie: Komponenty optyczne w sieciach WDM

Nowoczesne sieci optyczne, zwłaszcza te wykorzystujące , przenoszą niezależne kanały o różnych długościach fal przez jedno włókno. Multipleksery, demultipleksery i filtry selektywne długości fali określają, jak kanały wchodzą do węzła, opuszczają go i przechodzą przez jego tor optyczny.

Do pasywnych komponentów rozdzielających i kierujących kanałami WDM należą układy MUX/DEMUX, filtry cienkowarstwowe, siatki dyfrakcyjne, światłowodowe siatki Bragga, cyrkulatory i optyczne multipleksery wstawiania oraz wydzielania. Ich tłumienie wtrąceniowe, izolacja, pasmo przepustowe, odbicie i przesłuch wpływają na budżet łącza optycznego. Podane parametry obowiązują w określonym zakresie długości fal i warunków środowiskowych, dlatego sama charakterystyka dla nominalnej długości fali nie wystarcza do zaprojektowania łącza.

Multipleksery i Demultipleksery

Najbardziej podstawowymi urządzeniami w każdym systemie WDM są multiplekser i demultiplekser. Wykonują one przeciwstawne, ale uzupełniające się funkcje.

Multiplekser (MUX): MUX pobiera wiele niezależnych sygnałów optycznych, każdy o odrębnej długości fali, np. $λ_1, λ_2, ..., λ_N$ , z osobnych włókien wejściowych i łączy je w jeden sygnał złożony we wspólnym włóknie wyjściowym.
Demultiplekser (DEMUX): DEMUX pobiera złożony sygnał WDM docierający jednym włóknem i rozdziela go na składowe długości fal, kierując każdy kanał do osobnego włókna wyjściowego w celu dalszego przetwarzania.

Urządzenia wykonują komplementarne operacje widmowe. Ich charakterystyki przenoszenia przepuszczają wybrane pasma, a pozostałe tłumią lub kierują do innych portów. Praca odbiornika zależy więc zarówno od pasma kanału użytecznego, jak i od izolacji względem kanałów sąsiednich. W kaskadowym węźle trzeba uwzględnić również straty na złączach i spawach.

Technologie (De)multipleksacji

Urządzenia MUX/DEMUX wykorzystują kilka zasad fizycznych. Wybrana technologia określa odstęp kanałów, kształt pasma przepustowego, tłumienie wtrąceniowe, izolację i możliwość skalowania.

1. Cienkowarstwowe Filtry Interferencyjne (TFF)

Technologia ta opiera się na interferencji optycznej. Filtry TFF powstają przez nanoszenie na szklane podłoże naprzemiennych cienkich warstw dwóch różnych materiałów .

Grubości warstw i ich współczynniki załamania dobiera się, często w pobliżu ćwierćfalnej grubości optycznej, aby odbicia na granicach powodowały interferencję konstruktywną i destruktywną. Zaprojektowane pasmo przepustowe przechodzi przez filtr, a długości fal poza pasmem są tłumione lub odbijane. W kaskadzie demultipleksera pierwszy filtr odbija falę $\lambda_1$ i przepuszcza pozostałe. Następny filtr odbija $\lambda_2$ i przepuszcza resztę kanałów. Kaskadę trzeba projektować z uwzględnieniem sumarycznego tłumienia wtrąceniowego i izolacji każdego stopnia. Tolerancje temperatury i długości fali decydują o utrzymaniu sąsiednich kanałów w ich pasmach przepustowych.

2. Urządzenia z siatką dyfrakcyjną

Siatka dyfrakcyjna ma wiele równoległych rowków o określonym okresie. Gdy wiązka WDM pada na siatkę, dyfrakcja kieruje każdą długość fali pod innym kątem. Geometria rowków i układ optyczny określają dyspersję oraz rozdzielczość.

Typowa architektura obejmuje soczewkę kolimacyjną, siatkę rozdzielającą długości fal kątowo oraz soczewkę skupiającą, która sprzęga każdą długość fali z określonym włóknem wyjściowym. Taki układ może rozdzielać wiele kanałów w jednym urządzeniu. Geometria ogniskowania, okres rowków i położenie włókien określają odstęp kanałów oraz przesłuch. Błędy ustawienia zmniejszają sprawność sprzężenia, nawet gdy sama siatka ma wystarczającą rozdzielczość widmową.

Specjalistyczne komponenty: FBG i cyrkulatory optyczne

Funkcje wstawiania i wydzielania pojedynczych kanałów wymagają komponentów, które wybierają określoną długość fali i kierują ją do innego portu. Światłowodowe siatki Bragga oraz cyrkulatory optyczne realizują te funkcje w różnych konstrukcjach węzłów.

Światłowodowa Siatka Bragga (FBG)

FBG to odcinek światłowodu, którego rdzeń zawiera okresową modulację współczynnika załamania. Siatka działa jak selektywny dla długości fali reflektor lub filtr optyczny.

Odbija ona wąskie pasmo skupione wokół długości fali Bragga $(\lambda_B)$ . Pozostałe długości fal są transmitowane z resztkowym tłumieniem zależnym od konstrukcji siatki. Długość fali Bragga zależy od okresu siatki $(\Lambda)$ oraz efektywnego współczynnika załamania światłowodu $(n_{\text{eff}})$ , zgodnie z warunkiem Bragga:

\lambda_B = 2n_{\text{eff}} \Lambda

Odkształcenie lub zmiana temperatury zmieniają $\Lambda$ oraz efektywny współczynnik załamania, przesuwając odbijaną długość fali. Połączenie tej regulacji ze strojoną konstrukcją FBG umożliwia wybór kanału w rekonfigurowalnym węźle. Możliwość ta zależy od zastosowanej siatki. Szerokość pasma i współczynnik odbicia siatki są parametrami projektu. Węzeł musi utrzymać zakres strojenia, izolację sąsiednich kanałów i tłumienie wtrąceniowe w granicach budżetu łącza optycznego.

Cyrkulator Optyczny

Cyrkulator optyczny to pasywne, trójportowe urządzenie z kierunkowym, nieodwracalnym przepływem światła. Przy typowej konwencji portów:

Światło wchodzące portem 1 jest kierowane do portu 2.
Światło wchodzące portem 2 jest kierowane do portu 3.
Światło wchodzące portem 3 jest kierowane do portu 1, jeżeli port ten jest dołączony.

Taka izolacja portów pozwala oddzielić sygnał odbity przez FBG i przeznaczony do wydzielenia od sygnału przechodzącego dalej w układzie OADM. Tłumienie wtrąceniowe, izolacja i tłumienie odbicia są określane dla pasma pracy i decydują o liczbie elementów, które można połączyć kaskadowo.

Zastosowanie komponentów: budowa OADM

Komponenty te można połączyć w optyczny multiplekser wstawiania i wydzielania (OADM), który usuwa wybrane kanały i wstawia nowe. Poniżej przedstawiono dwie przykładowe architektury. W obu przypadkach kanały przechodzące pozostają w głównym włóknie, a wybrany kanał jest sprzęgany z portem wydzielania lub wstawiania. Dokładne tłumienie i izolacja zależą od konstrukcji.

1. OADM z Cyrkulatorami i Strojonymi Siatkami Bragga

Ta konstrukcja wykorzystuje dwa cyrkulatory i strojoną siatkę FBG do wyboru jednego kanału długości fali.

Operacja Wyjęcia (Drop):

Wielofalowy sygnał WDM wchodzi do cyrkulatora 1 portem 1 i wychodzi portem 2.
Sygnał trafia na strojoną siatkę Bragga, nastrojoną na odbicie pożądanej długości fali ( $\lambda_i$ ).
Odbity sygnał $\lambda_i$ wraca do portu 2 cyrkulatora 1 i jest kierowany do portu 3, który służy jako port DROP.
Wszystkie pozostałe długości fal przechodzą przez strojoną siatkę Bragga z tłumieniem określonym dla tego elementu.

Operacja Dodania (Add):

Niezakłócone fale kontynuują swoją drogę w kierunku wyjścia głównego.
Nowy sygnał na tej samej długości fali $\lambda_i$ jest wstrzykiwany do portu ADD. Jest on często łączony z kanałami przechodzącymi przed opuszczeniem węzła.
Połączony sygnał (kanały przechodzące i nowo dodany) opuszcza węzeł portem OUT.

2. OADM z Interferometrem Macha-Zehndera (MZI) i Siatkami Bragga

Ta architektura wykorzystuje interferometr Macha-Zehndera, składający się z dwóch sprzęgaczy 3 dB i dwóch dopasowanych siatek FBG, po jednej w każdym ramieniu, aby rozdzielać i wstawiać kanały bez cyrkulatora. Jej działanie zależy od względnej fazy oraz charakterystyki siatek.

Przychodzący sygnał WDM jest dzielony między oba ramiona. Docelowa długość fali jest odbijana przez siatki FBG, a relacje fazowe sprzęgaczy kierują składowe odbite do portu DROP i tłumią je na głównej ścieżce. Kanały przechodzące są kierowane do portu OUT. Odwrócenie torów pozwala na wstawienie kanału. Tłumienie wtrąceniowe i przesłuch zależą od równowagi sprzęgaczy, kontroli fazy oraz konstrukcji siatek.