Sprzęgacze światłowodowe

Transkrypt

1 Sprzęgacze światłowodowe Sprzęgacz służy do rozdziału proieniowania w sieci światłowodowej; dzieli i łączy; sprzęga i odsprzęga użytkowników (sensory) Sprzęgacze typu: 1 x 2, 2 x 2, 1 x N, M x N, N x N Technika sprzęgania czołowego transforacja ocy przez czołowo złączone rdzenie Technika sprzęgania bocznego transforacja ocy przez boczne zetknięcie włókien Technologie: spawanie, klejenie, ikrooptyka

2 Sprzęgacze światłowodowe Zasada działania i określenie paraetrów Podział sprzęgaczy (wg funkcji pełnionej w sieci) : Sprzęgacze typu T Sprzęgacz typu gwiazda Y X P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 4

3 Sprzęgacze światłowodowe Sieci o konfiguracji agistralowej lub pierścieniowej ta sieć działa tylko w jedny kierunku trzeba dodać drugą agistralę światłowodową lub: dodanie sprzęgaczy kierunkowych X sprzęgacz syetryczny czterowejściowy 2 światłowody: główny we: 1, 3 sprzęgany we : 2, 4 Można dodać sygnał na 1(3) lub 2(4) odpowiednio zienia się KIERUNKOWOŚĆ sprzęgacza

4 Macierz transforacji sprzęgacza X Sprzęgacz czterowejściowy współczynników 4 x 4 = 16 M = A = B gdzie - oc optyczna wyjścia - oc optyczna wejścia we 1 3 i 2 4 należy do tego saego światłowodu, połowa współczynników a takie sae wartości stąd 8 współczynników zgrupowanych w dwie acierze A i B Macierz A acierz izolacji zawiera eleenty opisujące transforację ocy iędzy eleentai z jednej strony sprzęgacza Macierz B acierzsprzężenia zawiera eleenty opisujące transforację ocy iędzy wejściai jednej i drugiej strony sprzęgacza współczynniki sprzężenia gdy sprzęgacz syetryczny światłowód główny identyczny ze sprzęgany wejścia 1, 2, 3, 4 nie są rozróżnialne Macierz M zredukowana do 4 współczynników wsp. izolacji : wsp. sprzężenia : B A = ij P j P i

5 Paraetry sprzęgacza X (we: 1) 1) współczynnik sprzężenia C s stopień transforacji ocy ze światłowodu głównego P4 C s = 10 lg 14, 14 = P1 2) Straty wewnętrzne światłowodu głównego I P3 I = 10 lg 13, 13 = I < db P 3) Kierunkowość sprzężenia S s = 10 lg 12, 4) Efektywność sprzężenia E ocy optycznej prowadzonej światłowode główny [w db] P3 + P4 E = 10 lg ( ), = P1 Na użytek sieci lokalnej określenie E i C 5) Straty wtrącenia (straty wnoszone przez sprzęgacz) L = [1 ( )] 100% 1 P 12 = P 2 1

6 Macierz transforacji sprzęgacza Y we wy wy P = P 1 11, 1, P2 12, ' P1 = = 13, 3 P P we ' P1 P2 21 =, 22 =, 23 = P2 P2, 3 P P we ' ' P1 P2 31 =, 32 =, 33 = P3 P3 P P 3 3 M = W przypadku sprzężenia syetrycznego (syetryczne wy P 2 i P 3 ) względe we P 1 najważniejsze współczynniki to: efektywność sprzężenia L = [1 ( )] 100% E = 10lg ( P + P ) 2 P 1 3 straty wtrącone sprzęgacza

7 Sprzęgacz typu gwiazda (N x N) N l Np S. TRANSMISYJNY lewą i prawą stronę łączy przewężenie stożkowe 1 lub ieszacz optyczny 2 Macierz transforacji M a wyiar 2N x 2N i 4N 2 eleentów, w ty współczynniki sprzężenia Zazwyczaj podaje się 1 średnią wartość eleentów ij i jej odchylenie lub 2 określenie in i ax

8 Sprzęgacz typu gwiazda (N x N) Efektywność sprzężenia E ef = 10 lg N in Efektywne straty wewnętrzne sprzężenia L ef L ef = [1-N in ] 100% Przy dużej liczbie abonentów STOSOWAĆ SPRZĘGACZ TYPU GWIAZDA np. 20 abonentów - odsprzęglonych sprzęgacze X 50 % sygnał 60 db - odsprzęglonych sprzęgacze gwiazda sygnał 13 db - sieci ze sprzęgacze GWIAZDA potrzebują więcej okablowania -sprzęganie za poocą sprzęgaczy X ożna optyalizować stopniując współczynniki sprzężenia kolejnych sprzęgaczy

9 Przykład zastosowania sprzęgacza typu "gwiazda" Dwa typy sprzęgacza gwiazda Porównanie strat w sprzęgaczach typu T i gwiazda transisyjny odbiciowy Podział energii oże być sterowany poprzez technologię spawania włókien

10 Metody sprzęgania i analiza sprzężenia Idealny sprzęgacz brak strat i zakłóceń przy odsprzęganiu określonej wartości ocy Efektywność sprzężenia nie zależy od: kierunku transisji rozkładu odów długości fali i stanu polaryzacji W rzeczywistości konieczność doboru optyalnej konstrukcji sprzęgacza Sprzęganie czołowe światłowodów Techniki sprzęgania Sprzęganie czołowe Stosowane technologie echanicznego łączenia włókien technologia ikrooptyczna (klejenie eleentów) technologia spawania (stapianie włókien) Stosowane eleenty wspoagające sprzężenie Mikrooptyczne (pryzaty, siatki, stożki światłowodowe, soczewki objętościowe i gradientowe) przewężenie stożkowe, trawienie cheiczne

11 Metody sprzęgania i analiza sprzężenia Scheat ideowy sprzęgania czołowego światłowodów: a) technologia spawania, b) technologia ikrooptyczna z użycie pryzatu światłodzielącego i soczewek światłowodowych, c) technologia ikrooptyczna z użycie soczewek światłowodowych i lustra półprzezroczyste (wg A.K.Agarwala) Mechaniz transforacji ocy analogiczny jak w złączach.

12 z niepełny przekrycie rdzeni Sprzęgacze klejone czołowo jednakowe φ różne φ z pełny przekrycie rdzeni dołączenie detektora / źródła dla grubordzeniowego łączenie po zdjęciu płaszcza ochronnego

13 Sprzęganie boczne Sprawność zależy od: drogi sprzężenia L sprzężenia C C ~ f(h) h - separacja rdzeni Transforację ocy optycznej opisuje teoria odów sprzężonych światłowody wieloodowe: konwersja odów falowodowych (rdzenia) w radiacyjne ody płaszczowe światłowody jednoodowe: sprzężenie realizowane przez pole zanikające odu podstawowego HE 11

14 Sprzęganie boczne Bezpośredni kontakt optyczny włókien wzdłuż osi na długości sprzęgacza L Sprzęganie boczne technologia spawania (stapianie włókien) technologia klejenia (klejenie włókien) przewężenie stożkowe, skręcanie, trawienie cheiczne zginanie włókien, boczne ścinanie włókien UWAGA: słabe echanicznie! 1) równoległe włókna 2) skręcenie 3) spawanie i stopienie w jeden falowód 1) uieszczenie w bloczkach z rowkie 2) polerowanie płaszcza (rdzenia) 3) łączenie i sklejenie bloczków (iersja)

15 Technologia sprzęgaczy bocznie klejonych sprzęgacze 2 x 2 włókien jednorodnych i niejednorodnych, standardowych i przenoszących polaryzację sprzęgacze włókno - źródło sprzęgacze włókno - falowód planarny Uwaga: bardzo trudna autoatyzacja a) b) Rodzaje sprzęgaczy z zastosowanie zginania i polerowania bocznego i ze zginanie: a) sprzęgacz typu X, b) sprzężenia światłowodu z falowode paskowy (lub planarny) (wg M.Zhanga, E.Garire'a)

16 Technologia sprzęgaczy bocznie klejonych typu 2 x 2 Czynności procesu sprzęgania z polerowanie boczny i ze zginanie (a) i składowe części sprzęgacza (b) (wg R.A.Bergha, G.Kotlera, H.J.Shawa)

17 Mechaniz sprzęgania bocznego światłowodów Efekt wzajenego zaburzania pola przez fizyczny kontakt włókien Konwersja odów w wyniku zaburzenia własności transisyjnych światłowodu światłowód wieloodowy światłowód jednoodowy Rozkład ocy optycznej w niezaburzony światłowodzie: a) wieloodowy (linie łaane ilustrują konwersję odów falowodowych w radiacyjne), b) jednoodowy (rozkład ocy zależy od długości fali świetlnej) HE 11 a rozkład Gaussa, ax pola dla r=0, zanikające w funkcji r pole wnika w płaszcz światłowodu; dla fali odcięcia λ c 90% energii w rdzeniu, dla λ > λ c energia wnika w płaszcz na g kilkanaście μ Wprowadzenie włókna światłowodu sprzęganego w obszar odów radiacyjnych pola zanikającego drugiego światłowodu spowoduje zaburzenie pola propagacji i wzajeny przepływ ocy optycznej

18 dopasowania fazowego Sprawność sprzężenia zależy od: β 1 - β 2 = Δβ β 1 i β 2 -stałe propagacji sprzęganych światłowodów W procesie technologiczny niekiedy traci się kontrolę nad Δβ dopasowanie fazowe dla światłowodów o różnych charakterystykach dyspersyjnych współczynnik sprzężenia C 12, C 21 dla Δβ = 0 drogi oddziaływania L rdzeń otoczenie (płaszcz lub podłoże) P 0 - oc sygnału w światłowodzie główny E 1 E 2 -rozkład pola elektrycznego sprzęganych odów drogi pełnej transforacji ocy L c = π/2c 0

19 Przykład: Współczynnik sprzężenia światłowodów jednoodowych 1) współczynnik sprzężenia jest funkcją zienną wzdłuż z 2) zgięcie światłowodu narusza syetrię rozkładu odów Geoetria struktury (a), rozkład pola natężenia odów (b) do obliczania współczynnika sprzężenia sprzęgacza światłowodów jednoodowych z polerowanie boczny (wg M.J.Digonneta, H.J.Shawa) Przybliżona wartość w - stała zanikania pola w płaszczu a - proień rdzenia h 0 - warunkuje wartość współczynnika C 0 (z = 0) R - warunkuje wartość drogi efektywnego sprzężenia L ef.

20 Światłowód o paraetrach: n 1 = 1.460, n 2 = 1.456, ; a = 2 μ Syulacja koputerowa Teoretyczne charakterystyki sprzęgania światłowodów jednoodowych: a) zależność efektywnej drogi sprzężenia L ef od inialnej odległości h o, b) zależność współczynnika sprzężenia C o od inialnej odległości h o, c) zależność sprawności sprzężenia η od inialnej odległości h o

21 Przykład: Współczynnik sprzężenia światłowodów wieloodowych Dla światłowodów wieloodowych konwersja odów przez: zginanie przewężenie stożkowe średnicy włókna ściskanie boczne + zniejszenie φ płaszczy przez ścienianie echaniczne lub trawienie cheiczne Ps η = P i 1 N N sin 0 2 ( C L) 0

22 Efekt przewężenia stożkowego w światłowodach wieloodowych Źródło światła r 2 -proień rdzenia w strefie przewężenia Geoetria bistożkowego sprzęgacza światłowodów wieloodowych z przewężenie stożkowy Ze względu na r 2 aleje kąt akceptacji falowodu Przez sprzęgacz przechodzą ody spełniające warunek Stąd dopuszczalny proień r 2 w przewężeniu Wtedy dopuszczalna sprawność sprzężenia przy in. strat Dla sprzęgacza N x N oc optyczna rozdziela się na N włókien Sprawność sprzężenia w każdy z włókien w główny włóknie

23 Efekt przewężenia stożkowego w światłowodach wieloodowych Skokowy wzrost strat przy przekroczeniu krytycznej wartości r 2 /r 1 <0,25

24 Efekt przewężenia stożkowego w światłowodach jednoodowych Wraz ze zniejszanie się średnicy włókna aleje średnica rdzenia a rośnie plaka świecenia w 0 ; średnica rdzenia staje się porównywalna z długością fali i rdzeń zatraca właściwości falowodowe. Plaka świecenia wypełnia cały przekrój przewężenia, który ożey rozpatrywać jako pojedynczy falowód o V>2,4. Płaszcz stopionych włókien przejuje rolę rdzenia, a powietrze płaszcza. Taki falowód zatraca jednoodowość i propaguje kolejne ody.

25 Efekt przewężenia stożkowego w światłowodach jednoodowych Jeżeli w czasie propagacji przez obszar sprzężenia o długości L różnica faz odów będzie równa π to interferencja odów będzie destruktywna w rdzeniu 1 (P 1 =0) i konstruktywna w rdzeniu 2 (P 4 =P 0 ). Przy dalszy wzroście różnicy faz oc wraca do rdzenia 1. W praktyce precyzyjne określenie drogi efektywnej jest trudne konieczne jest justowanie stopnia sprzężenia w procesie wykonywania.

26 Efekt przewężenia stożkowego w światłowodach jednoodowych W odróżnieniu od echanizu konwersji odów w światłowodach wieloodowych echaniz interferencji odów w światłowodach jednoodowych wprowadza okresowość sprzężenia i zależność stopnia sprzężenia od długości fali.

27 Typy sprzęgaczy: Technologia sprzęgaczy spawanych sprzęgacz czołowo spawany rozgałęziający typu Y i (1 x N) sprzęgacze z przewężenie stożkowy typu X i N x N spawane z rozciąganie sprzęgacze spawane z przewężenie stożkowy przenoszący polaryzację Scheat blokowy zautoatyzowanej spawarki sprzęgaczy jednoodowych (wg M.J.F.Digonneta, H.J.Shawa)

28 Sprzęgacze bocznie spawane typu X i N x N Proces wykonywania sprzęgaczy etodą spawania z rozciąganie ruchoe ikropalniki kształtowanie strefy spawania Przykład: paraetry sprzęgaczy standardowych światłowodów jednoodowych 8/125 μ - średnie straty 0.05 db (in db, ax db) - średnia dewiacja sprzężenia od 50% podziału ±0.4% - długość przewężenia stożkowego 10 φ20 μ - stosunek średnicy zewnętrznej światłowodu do φ przewężenia 1:6 - czas wykonywania czynności zautoatyzowanych: spawanie in, wyciąganie z podgrzewanie 9 in., justowanie sprzężenia 5 in. Raze - 15 in. Para 1 i 2 - spawanie Para 3 i 4 - ujednorodnienie teperatury Lokalizacja ikropalników względe geoetrii spawania: a) światłowodów standardowych spawanych z wyciąganie i skręcanie, b) światłowodów przenoszących polaryzację z wyciąganie bez skręcania. c) łączy spawanych czołowo

29 Produkcja asowa sprzęgaczy X a) scheat pakietu 4 sprzęgaczy (2 x 2), b) konfiguracja ustawienia palników Sprzęgacze czołowo spawane typu 1 x N Technologia przygotowania kapilary stożkowej N włókien: a) trawienie rdzeni włókien, b) przekrój N rdzeni przed trawienie i po trawieniu, c) colaps kapilary

30 Sprzęgacze z ieszacze optyczny sieci rozgałęzione sieci typu "gwiazda" Mieszacz optyczny wycinek falowodu optycznego z rozległy w porównaniu ze światłowode rdzenie uzyskanie równoiernego rozkładu ocy w przekroju rdzenia równoierne rozdzielenie ocy z rdzenia do światłowodów płyn o wysoki n (często zalanie żywicą epoksydową) falowód planarny rdzeń zanurzony w płytce szklanej Scheat konstrukcji sprzęgaczy typu gwiazda z użycie ieszaczy optycznych: a) szklanych planarnych, b) cieczowych, c) szklanych stożkowych (wg K.Nosu, R.Watanabe) sprzęganie światłowodów grubo-rdzeniowych ze standardowyi (50 μ)

31 Sprzęgacze ikrozgięciowe brak naruszenia fizycznej ciągłości i struktury włókna konwersja odów falowodowych do radiacyjnych za poocą ikrozgięć [d (okres) określa stałą propagacji odsprzęganych odów] Sprzęgacz z wykorzystanie ikrozgięcia światłowodów (wg C.Stewarta, W.Stewarta) Wyproieniowanie światła ze światłowodu jednoodowego zgiętego pod kąte 90. Proień zgięcia R: r C -proień graniczny zanikającego pola odu podstawowego. Po przekroczeniu proienia r C światłowód traci własności falowodowe (wg W.Harisa i in.)

32 Sprzęgacze selektywne Multipleksja Deultipleksja

33 Sprzęgacze selektywne falowe Ścinając bocznie światłowód wejdziey najpierw w obszar oddziaływania pola zanikającego ocy optycznej niesionej na fali λ 2, nie naruszając warunków propagacji sygnału na długości fali λ 1 Optyalizując długość rozciągania obszaru spawania ożna uzyskać prawie 100% sprzężenia dla λ 2 =1,54 i prawie 0% dla λ 1 =1,3

34 Sprzęgacze selektywne falowe Straty sprzężenia: 0,5-0,6 db w paśie ± (20-30n) Stopień izolacji: S iz = 10 log P 2 (λ 2 )/ P 1 (λ 1 ) ok. 20 db w paśie ± 20n (za ało) Łączenie szeregowe sprzęgaczy w celu zwiększenia stopnia izolacji kanałów

35 Sprzęgacze selektywne polaryzacji Wzbudzenie o dowolny stanie polaryzacji P 1 jest selektywnie rozdzielane na P 3y i P 4x Wzbudzenie o określony stanie polaryzacji P 1x i P 1y jest przenoszone przez sprzęgacz i selektywnie rozdzielane na wyjściu P 3y i P 4x

36 Sprzęgacze selektywne polaryzacji L = 9 L = 20 Separacja sprzężenia odów P x i P y słabo wyrózniona Dla λ 1 =1,282 i dla λ 2 =1,402 sprzężenie odu P x jest bliskie 0%, a odu P y bliskie 100% Selekcja sprzężenia odów zachodzi gdy: Δβ x Δβ y = ( + 1) π / L 2