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可調(diào)諧光功率分配器技術(shù)及應(yīng)用

中國視聽網(wǎng)資訊 更新時(shí)間:2006-7-9 10:41:14  編輯:風(fēng)隨行  [ ]     手機(jī)訪問

本文介紹了可調(diào)諧光功率分配器的應(yīng)用的幾種情況,并介紹了目前可調(diào)諧光功率分配器的幾種實(shí)現(xiàn)技術(shù),相信可調(diào)諧光功率分配器在未來的光通信市場中會有非常誘人的應(yīng)用前景。

熔融拉錐型光纖耦合器和PLC(平面光波導(dǎo))光功率分配器近年來已獲得長足發(fā)展。但無論光纖型或波導(dǎo)型器件現(xiàn)在都只能提供固定的分光比。 隨著電信業(yè)務(wù)的發(fā)展,需要采用分光比可調(diào)的光功率分配器的場合越來越多。

一、可調(diào)諧光功率分配器的應(yīng)用

● 降低FTTH的成本

為了降低FTTH接入的費(fèi)用,運(yùn)營商都力求節(jié)省光纖資源。許多運(yùn)營商都采用了PON技術(shù),單一系統(tǒng)可容納數(shù)百個(gè)用戶。另外,運(yùn)營商采用多個(gè)用戶共用一個(gè)用戶端設(shè)備,當(dāng)用戶擴(kuò)大的時(shí)候再逐漸增加用戶端設(shè)備?梢圆捎霉夤β史峙淦鬟M(jìn)行級聯(lián)的方法,即由多個(gè)用戶共用一個(gè)用戶端設(shè)備,多個(gè)用戶端設(shè)備通過光功率分配器匯接至一個(gè)光線路終端(OLT)。各個(gè)用戶端設(shè)備所接入的用戶數(shù)量的多少不一定相同,各個(gè)用戶端到OLT的路徑距離也可能各異。即各個(gè)用戶端設(shè)備所需的光信號功率可能會有很大差異,并可能隨時(shí)變化。而目前PON中使用的都是固定的光功率分配器,這樣不利于光功率資源的有效分配?烧{(diào)光功率分配器對多變的光纖到家市場,具有很強(qiáng)的針對性。它可以通過改變自身的功率分配因數(shù),動態(tài)地分配各用戶端設(shè)備所得到的光功率。這樣就能提高網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性,充分利用光功率資源,提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

● 自愈環(huán)保護(hù)

在城域網(wǎng)中,自愈環(huán)形網(wǎng)是一種常見的保護(hù)方式。該方式無需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)能從故障中實(shí)時(shí)、自動恢復(fù)所承載的業(yè)務(wù)。PON雙纖自愈環(huán)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)是可調(diào)功率分配器的一個(gè)典型應(yīng)用,在該環(huán)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含兩個(gè)功率分配器。該網(wǎng)絡(luò)能夠確保信號在節(jié)點(diǎn)間線路被切斷的情況下仍可以通過所有節(jié)點(diǎn)。但是,如果采用固定光功率分配器,節(jié)點(diǎn)間的功率差異將非常大,假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的光纖鏈路衰減損耗為1.5dB,固定功率分配因數(shù)為0.1左右,在一個(gè)N=10的系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間將有20dB左右的功率差異。而如果采用可調(diào)光功率分配器,只要適當(dāng)調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的功率分配因數(shù),則同樣的系統(tǒng)的功率差異就可以忽略不計(jì)。由于采用可調(diào)功率分配器的自愈環(huán)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn),因此可以應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛。

● 調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的功率分配

可調(diào)光功率分配器不僅適用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò),還可應(yīng)用于光功率分配器串聯(lián)結(jié)構(gòu)。以上所述的大多是要求各節(jié)點(diǎn)功率均衡的例子,而在各節(jié)點(diǎn)所需光信號功率不同的情況下,還可以反其道而行之,調(diào)整各節(jié)點(diǎn)功率分配因數(shù)以滿足不同節(jié)點(diǎn)要求。

● 中長距離系統(tǒng)的保護(hù)

除了用于FTTH及PON等接入網(wǎng)之外,可調(diào)光功率分配器還可能在中長距離點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。例如,用于光線路保護(hù)模塊中。目前國內(nèi)外通用的光線路保護(hù)方案主要有兩種,一種是1+1方案,一種是1:1方案。1+1方案在光信號的輸出端口,首先用一個(gè)1×2的光功率分配器將光信號分成兩路。在接收端口,用一個(gè)1×2的光開關(guān)有選擇地取其中一路接入接收機(jī)。它的好處在于,系統(tǒng)可以同時(shí)對兩路光信號實(shí)施監(jiān)測。在有故障的情況下,總是選擇光信號質(zhì)量較好的路徑。但是,該方案要損失掉一半光功率。1:1方案在光信號的輸出和輸入端口,均部署一個(gè)1×2的光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)光路徑的同時(shí)切換。光信號同一時(shí)間只在一條線路中傳輸。它的好處在于,系統(tǒng)可以避免光信號在一開始就有一半光功率損耗。采用可調(diào)光功率分配器取代1+1方案中的1×2固定光功率分配器可以兼顧這兩種方案的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測兩條路徑,動態(tài)地調(diào)用在備份路徑中的光功率資源。不僅如此,在實(shí)際工程應(yīng)用中保護(hù)路徑和初始路徑往往不在一條光纜中,甚至物理路徑也完全不同,這樣才能對光纜被切斷起真正保護(hù)作用。這是因?yàn)楸Wo(hù)路徑和初始路徑在距離上可能有很大的差別,無論是1+1方案,還是1:1方案,兩路徑切換時(shí),光功率的補(bǔ)償或衰減可能成為系統(tǒng)正常工作的必要條件。換句話說,光放大器和可調(diào)光功率衰減器可能是必備設(shè)備。采用可調(diào)光功率分配器后,也許不能節(jié)約所需要的光放大器,但可調(diào)光功率衰減器將不再是必要的了。

● 用于較大范圍的光纖CATV網(wǎng)絡(luò)

可調(diào)光功率分配器還可取代過去的固定分路器用于較大范圍的光纖CATV網(wǎng)絡(luò)。過去曾采用光纖熔融拉錐光分路器,也曾根據(jù)小區(qū)人口和遠(yuǎn)近分布設(shè)計(jì)出不同分光比的光分路器,然后向廠家定做。但由于分光比固定,當(dāng)小區(qū)用戶增加或減少引起各節(jié)點(diǎn)所需功率變化時(shí),各分路器就無法再與之匹配。當(dāng)通往各小區(qū)的鏈路損耗因各種原因增大時(shí),網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)也比較麻煩。這時(shí)如果用可調(diào)光功率分配器取代一般的光分路器將大大方便網(wǎng)絡(luò)建設(shè),降低成本,并且使網(wǎng)絡(luò)有很好的擴(kuò)容性和適應(yīng)性。

● 其他應(yīng)用

可調(diào)光功率分配器還可以在智能型光放大器(如可調(diào)增益均衡器、自適應(yīng)光放大器等)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,使這些器件可以自動調(diào)整工作狀態(tài)以符合系統(tǒng)應(yīng)用要求,并且可以大大減小光功率消耗。

綜上所述,可調(diào)光功率分配器可以通過改變其功率分配因數(shù),靈活地因應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化,保持功率均衡,有效地利用光功率資源,維持網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)越來越多變,越來越需要能夠隨網(wǎng)絡(luò)變化而變化的器件。因此,我們相信可調(diào)光功率分配器將會有十分廣泛的市場。

二、可調(diào)諧光功率分配器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

到目前為止市場上還沒有出現(xiàn)真正大規(guī)模應(yīng)用的可調(diào)諧光功率分配器。根據(jù)國內(nèi)外報(bào)道,目前可調(diào)諧光功率分配器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有以下幾種。

●光纖型可調(diào)光功率分配器

1) Y型光纖熔融拉錐型光功率可調(diào)耦合器

熔融拉錐型光纖器件已廣泛應(yīng)用于光纖通信及光纖傳感系統(tǒng)。熔融拉錐法就是將兩根裸光纖靠在一起,在高溫火焰中加熱使之溶化,同時(shí)在光纖兩端拉伸光纖,使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段,從而構(gòu)成耦合器。

入射光在耦合區(qū)發(fā)生再分配,一部分光功率從直通臂繼續(xù)傳輸,另一部分則從耦合臂傳到另一光路。只要改變耦合區(qū)的長度,就能改變耦合臂分配到的光功率,從而改變分光比。目前,通常采用的方法是對該耦合器的耦合區(qū)施加應(yīng)力,使耦合區(qū)產(chǎn)生伸縮變化,改變耦合區(qū)的長度,進(jìn)而獲得分光比的變化。

2) 光纖磨拋型可調(diào)光功率耦合器

如圖2所示,磨拋型光纖耦合器是利用光學(xué)冷加工(機(jī)械拋磨)除去光纖的部分包層,使光纖波導(dǎo)能相互靠近,以形成消失場互相滲透。通過這種方法制作分光比可調(diào)的耦合器,其原理與上一種方法類似,也是通過改變耦合區(qū)的長度來改變分光比。例如可以使一根光纖對另一根光纖做相對運(yùn)動,就可以適當(dāng)調(diào)節(jié)耦合區(qū)的長度。

上述兩種方法原理相似,但是施加的應(yīng)力和光纖的相對運(yùn)動都難以精確控制,并且可調(diào)范圍小、偏振相關(guān)度高、控制精度低,因此這兩種方法雖然提出得較早,但是多年來難以實(shí)際應(yīng)用。

3)光纖截面分割型可調(diào)光功率耦合器

也有報(bào)道提出一種V型槽光纖可調(diào)光功率耦合器。通過微加工在光纖側(cè)壁內(nèi)切割一個(gè)V型槽,光束通過槽表面的兩側(cè),分別向光纖兩端耦合能量,就達(dá)到了分束的目的。只要適當(dāng)調(diào)節(jié)入射高斯光斑在V型槽兩側(cè)的投影面積,就可以實(shí)現(xiàn)分光比的變化。

該方法原理簡單,但是要實(shí)現(xiàn)卻有一定的困難。首先如何精密地控制入射光斑在V型槽兩側(cè)投影面積的分配尚有待研究,其次由于入射光反射率和其偏振方向有關(guān),因此入射光偏振方向的改變也會影響耦合效率。目前該方法尚未看到實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

● 熱光型可調(diào)光功率分配器

利用有機(jī)聚合物的熱光效應(yīng)研制的光開關(guān)已經(jīng)在光通信波導(dǎo)器件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,同樣也可以將這一效應(yīng)運(yùn)用到制作可調(diào)光功率分配器上。

熱光型波導(dǎo)光開關(guān)通常采用對稱型單模Y分支結(jié)構(gòu),輸入和輸出波導(dǎo)為單模波導(dǎo),兩個(gè)分支臂具有相同的光傳輸特性,有相同的材料結(jié)構(gòu)和相同的波導(dǎo)寬度。當(dāng)光從輸入端輸入,功率將在兩輸出端均分輸出,此時(shí)的Y分支為一3dB耦合器。根據(jù)模式分離原則,當(dāng)Y分支的兩分支臂波導(dǎo)中光的有效折射率存在一定的差異時(shí),從輸入端輸入的光波將主要傳向有效折射率大的分支臂,并從與此臂相連的輸出端輸出,這時(shí)的Y分支稱為非對稱Y分支。非對稱的兩臂有效折射率可以通過波導(dǎo)尺寸的不同實(shí)現(xiàn),也可以通過波導(dǎo)材料折射率的不同實(shí)現(xiàn)。如在對稱型Y分支的兩臂上(或附近)放置加熱電極,利用有機(jī)聚合物材料的(負(fù))熱光效應(yīng),使得相應(yīng)的Y分支臂處的溫度上升,波導(dǎo)的有效折射率下降,從輸入端輸入的光波能量將聚向另一分支臂輸出。因此,通過控制Y分支的兩個(gè)臂上(或附近)的加熱器,就可以控制光在兩個(gè)輸出端的輸出,實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光功率分配器。

從原理上說,這樣的器件只適合分光比可調(diào)范圍較小的情況。例如,對于5%:95%的光耦合器。超過10%的分光比雖然也可以實(shí)現(xiàn),但兩路加起來的總功率損耗會驟然增加。

● MEMS型可調(diào)光耦合器

MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)由于其微型化、便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)。已有從事MEMS技術(shù)開發(fā)的公司推出了MEMS可調(diào)光耦合器。但是他們的器件也僅適合5%:95%這樣分光比較小的情況。如果同樣的器件要實(shí)現(xiàn)50%:50%分光比,總功率損耗將超過50%。因此他們的器件實(shí)際上只是一種可以分光的可調(diào)光衰減器。

● 部分反射型可調(diào)光功率分配器

在輸入端采用一個(gè)雙芯準(zhǔn)直器,中間采用一個(gè)反射率漸變的反射片,透過輸出端采用一個(gè)單芯準(zhǔn)直器來制作分光比可調(diào)的光功率分配器的辦法也可以改變兩個(gè)輸出端的分光比。這種方法的缺點(diǎn)主要是對馬達(dá)及反射片移動時(shí)的控制精度要求非常高。實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn),該方法要么成本很高,要么反射輸出端插入損耗變化太大,很不可靠。

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