Wprowadzenie: Elementy Składowe Autostrady Światła

Nowoczesne sieci optyczne, zwłaszcza te wykorzystujące multipleksację z podziałem długości fali (WDM), działają jak wielopasmowa autostrada dla danych. Każdy pas to odrębny kolor – czyli długość fali – światła, przenoszący niezależny strumień informacji. Aby zarządzać tym ruchem światła, potrzebne są specjalistyczne komponenty, które działają jak „wjazdy”, „zjazdy” i „rozdzielacze pasów”.

Ta strona zagłębia się w fundamentalne pasywne komponenty optyczne, które umożliwiają działanie WDM. Zbadamy, jak łączą i rozdzielają one różne kolory światła, filtrują je z niewiarygodną precyzją i umożliwiają tworzenie elastycznych węzłów sieciowych o dużej pojemności. Zrozumienie tych komponentów jest kluczem do zrozumienia działania nowoczesnej globalnej komunikacji.

Multipleksery i Demultipleksery: Wjazdy i Zjazdy

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

• Multiplekser (MUX): MUX działa jak „wjazd” na autostradę. Pobiera wiele niezależnych sygnałów optycznych, każdy o unikalnej długości fali (np. $λ_1, λ_2, ..., λ_N$), z osobnych światłowodów wejściowych i łączy je w jedną, wielokolorową wiązkę światła, która jest następnie wysyłana we wspólnym światłowodzie wyjściowym.
• Demultiplekser (DEMUX): DEMUX działa jak „zjazd”. Pobiera złożony sygnał WDM docierający jednym światłowodem i rozdziela go z powrotem na jego składowe długości fal, kierując każdy kolor do oddzielnego światłowodu wyjściowego w celu dalszego przetwarzania.

Działanie tych urządzeń można porównać do pryzmatu: pryzmat potrafi rozszczepić białe światło na tęczę (demultipleksacja), a w odwrotnym procesie może połączyć kolory tęczy z powrotem w białe światło (multipleksacja).

Technologie (De)multipleksacji

Do budowy urządzeń MUX/DEMUX wykorzystuje się kilka różnych zasad fizycznych i technologii, z których każda ma swoje zalety i wady.

1. Cienkowarstwowe Filtry Interferencyjne (TFF)

Technologia ta opiera się na zjawisku interferencji optycznej. Filtry TFF są konstruowane przez naparowanie na szklane podłoże dziesiątek, a nawet setek niezwykle cienkich, naprzemiennych warstw dwóch różnych materiałów dielektrycznych.

Grubość każdej warstwy jest precyzyjnie kontrolowana (często jest to ćwierć długości fali docelowej). Gdy światło pada na wielowarstwową strukturę, część odbija się na granicy każdej warstwy. Z powodu konstruktywnej i destruktywnej interferencji, tylko jedno bardzo wąskie pasmo długości fal jest w stanie przejść przez filtr, podczas gdy wszystkie pozostałe są odbijane. Aby zdemultipleksować sygnał, filtry te używane są w kaskadzie: pierwszy filtr odbija falę $\lambda_1$ i przepuszcza resztę; drugi filtr odbija $\lambda_2$ i przepuszcza resztę, i tak dalej.

2. Urządzenia oparte na Siatce Dyfrakcyjnej

Technologia ta działa jak bardziej precyzyjna, zaprojektowana wersja pryzmatu. Siatka dyfrakcyjna to powierzchnia z tysiącami mikroskopijnych, równoległych rowków na milimetr. Gdy wiązka światła WDM pada na siatkę, ulega dyfrakcji, co oznacza, że każda długość fali jest zaginana lub odbijana pod nieco innym kątem. To przestrzennie rozdziela kolory.

Typowa architektura obejmuje soczewkę kolimacyjną do sprowadzenia światła do wiązki równoległej, siatkę dyfrakcyjną do kątowego rozdzielenia długości fal oraz soczewkę skupiającą, która ogniskuje każdą rozdzieloną długość fali na końcu określonego światłowodu wyjściowego.

Specjalistyczne Komponenty do Sterowania: FBG i Cyrkulatory

Oprócz prostego łączenia i rozdzielania wszystkich długości fal, zaawansowane sieci wymagają komponentów, które potrafią manipulować pojedynczymi kanałami. Siatki Bragga i cyrkulatory optyczne są kluczowymi elementami umożliwiającymi taką funkcjonalność.

Zastosowanie Komponentów: Budowa OADM

Możemy teraz zobaczyć, jak te wyspecjalizowane komponenty są łączone w celu stworzenia funkcjonalnej Optycznej Krotnicy Transferowej (OADM). Poniżej przedstawiono dwie popularne architektury.

1. OADM z Cyrkulatorami i Strojonymi Siatkami Bragga

Ta konstrukcja wykorzystuje dwa cyrkulatory i strojną siatkę FBG do zarządzania pojedynczym kanałem o danej długości fali.

Operacja Wyjęcia (Drop):

1. Wielofalowy sygnał WDM wchodzi do cyrkulatora 1 portem 1 i wychodzi portem 2.
2. Sygnał trafia na siatkę TFBG, nastrojoną na odbicie pożądanej długości fali ($\lambda_i$).
3. Odbity sygnał $\lambda_i$ wraca do portu 2 cyrkulatora 1 i jest kierowany do portu 3, który służy jako port DROP.
4. Wszystkie pozostałe długości fal przechodzą przez TFBG bez zakłóceń.

Operacja Dodania (Add):

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

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

Ta bardziej zaawansowana architektura wykorzystuje Interferometr Macha-Zehndera, składający się z dwóch sprzęgaczy 3dB i dwóch identycznych siatek FBG (po jednej w każdym ramieniu), aby rozdzielać i łączyć kanały bez potrzeby użycia cyrkulatora. Opiera się na precyzyjnej interferencji fal świetlnych.

Przychodzący sygnał WDM jest dzielony na dwa ramiona. Docelowa długość fali jest odbijana przez siatki FBG w obu ramionach. Z powodu przesunięć fazowych w sprzęgaczach, dwie odbite fale interferują konstruktywnie w porcie DROP i destruktywnie na głównej ścieżce. Odwrotnie, fale przechodzące interferują konstruktywnie w porcie OUT. Ta sama zasada w odwrotnej kolejności pozwala na dodanie nowego kanału. Konstrukcja ta może oferować niższe straty i lepszą wydajność.