Оптические сплиттеры

Оптический делитель/сплиттер/разветвитель — неселективный пассивный элемент (N-полюсник), имеющий минимально три полюса/порта и распределяющий входящую оптическую мощность между выходными портами в определенном соотношении, без какого-либо усиления или переключения. 

Оптические сплиттеры классифицируются по характеристикам:

• Технология изготовления
• Количество входов

 В настоящее время существует две наиболее распространенные технологии изготовления оптических разветвителей — Fused Biconical Taper (FBT) и Planar Lightwave Circuit (PLC).

Оптические делители, созданные по технологии FBT, называют биконическими или сварными (Fused coupler). Название «сварные» делители получили по технологии производства, а «биконические» по принципу работы. Технология производства относительно проста — два волокна с удаленными внешними оболочками (лак, пластиковый буфер) сплавляют в четырехполюсник с двумя входами и двумя выходами (2:2). Если же требуется делитель 1:2, то один из входов «заглушают» безотражательным методом.

Рисунок 1. Процесс изготовления делителей сварного типа

Принцип работы сварного делителя заключается в совмещении оптических волноводов перед сплавлением таким образом, чтобы необходимая доля входящего оптического сигнала передавалась через боковые поверхности.

Рисунок 2. Принцип работы делителя сварного типа

В зависимости от взаимопроникновения сердцевин свариваемых волокон можно обеспечить неравномерное разделение мощности, например, 25:75 (25% мощности сигнала проходит в один порт, 75% в другой).

Следует отметить, что «простота» технологии производства, о которой говорилось выше, определяет и негативные особенности сварных делителей:

1. Плохая воспроизводимость параметров. Не сказывается на потребительских качествах продукции, но усложняет процесс производства
2. Отсутствует возможность передачи сигналов с широким спектром длин волн. Данная особенность связана как с процессом производства, так и с физическим устройством оптических волокон

В зависимости от спектральных характеристик сварные делители подразделяется на несколько типов:

• однооконные — пропускают оптические сигналы одного «окна прозрачности»
• двухоконные — пропускают оптические сигналы из двух «окон прозрачности»
• трехоконные — пропускают оптические сигналы из трех «окон прозрачности»

Окно прозрачности представляет собой диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в волокне. В зависимости от «оконности» делители могут с минимальными потерями пропускать сигналы на длинах волн: 1310, 1490, 1550 нм.

В случае, когда требуется сварной делитель с количеством выводов более двух, например, четыре — предварительно изготавливают три делителя 1:2 с требуемыми характеристиками, а уже после происходит процесс их сращивания, как показано на рисунке 3. Аналогичным образом можно создать делитель 1:64.

Рисунок 3. Схема оптического делителя 1:2

Оптические делители, выполненные по технологии PLC, называют планарными.

Процесс производства данных разветвителей более сложен и включает в себя несколько этапов:

1. Нанесение на кварцевую подложку отражающего слоя-оболочки. На данный слой наносится материал волновода, на котором впоследствии формируется маска для травления
2. Травление отражающего слоя. Результатом процесса травления является система волноводов-«дорожек»
3. Нанесение второго отражающего слоя. В результате структура делителя становится схожа с простым оптическим волокном, отражающий слой — оболочка волокна, вытравленные «дорожки» — сердцевина волокна
4. Вклейка оптических выводов. В отличии от сварных сплиттеров, представляющих собой оптические волокна, сваренные между собой, планарные делители являются отдельной структурой. Для создания оптических выводов, к концам вытравленных «дорожек» приклеиваются оптические волокна

Рисунок 4. Процесс изготовления делителей планарного типа

Необходимое количество выводов достигается комбинацией простейших масок травления делителей 1×2. Планарная технология позволяет изготавливать делители с числом выходных волокон кратным 2 до 64 выходных портов включительно.

Благодаря более сложной и прецизионной технологии изготовления, планарные делители обладают более стабильными и точными оптическими характеристиками. В делителях данного типа не возникает проблемы повторяемости результата, как наблюдается в сварных, а также планарные делители избавлены от понятия «оконность», так как работают в широкополосном диапазоне волн 1260-1650 нм. Однако при всех своих неоспоримых плюсах, планарные делители не могут «похвастаться» возможностью заданного деления входящего сигнала. В связи с технологическим процессом производства сплиттер делит приходящую мощность только 50 на 50 с минимальными погрешностями, что бывает не всегда удобно и необходимо.

По количеству входов все оптические сплиттеры подразделяются:

• X-образные — несколько входов и несколько выходов
• Y-образные — один вход и несколько выходов

Самый простой Х-образный оптический делитель имеет два входа и два выхода, так называемый оптический разветвитель 2:2. При производстве таких делителей можно использовать обе вышеперечисленные технологии. В случае делителя 2:2 процесс производства по технологии FBT ничем не примечателен, а вот для производства такого делителя по технологии PLC необходимо соединить (зачастую для этого используют сварку оптических волокон) два планарных делителя типа 1:2. Следует отметить, что Х-образные делители продукт весьма специфический и на данный момент используется только в качестве вспомогательного компонента оптических устройств, например, в перестраиваемых мультиплексорах ввода/вывода (ROADM).

Y-образный оптический делитель — это оптический сплиттер, который имеет один вход и два выхода, так называемый оптический разветвитель типа 1:2. Y-образные делители бывают двух типов — симметричные и несимметричные.

Симметричные Y-образные оптические делители разделяют оптическую мощность между выходами равномерно. Под описание данного типа делителей попадают сплиттеры, выполненные по любой технологии (следует помнить, что при помощи технологии FBT производятся сплиттеры с любым делением, включая и равномерное).

Несимметричные оптические делители позволяют разделить оптическую мощность в определенной пропорции. К данному типу можно отнести только сварные делители с неравномерным делением по выходным портам.

Наиболее широкое применение оптические делители получили в трех отраслевых нишах:

1. Сети передачи кабельного телевидения
2. Пассивные оптические сети (PON)
3. Компоненты сложных оптических устройств

В сетях передачи кабельного телевидения, сети CATV, в большинстве случаев используют делители сварного типа, так как обеспечивают неравномерное деление, позволяя создавать трассы с топологией «точка-многоточие». В данном случае делители используются в качестве ADM (add drop module) — меньшая часть оптического сигнала выделяется, а большая передается далее по трассе. В некоторых случаях, использование планарных делителей в сетях CATV является наиболее предпочтительным, но только при соблюдении главного условия — возможности равномерного деления сигнала на все выводы.

В сетях PON коммутация на участке между оптическим линейным терминалом (OLT), расположенным в центральном узле связи, и абонентским оптическим сетевым терминалом (ONT) производится по средствам одного или нескольких пассивных разветвителей установленных по трассе. В зависимости от географической удаленности абонентов от головной станции выбираются различные типы делителей. В случае, если все абоненты равноудалены от головной станции или разница в удаленности крайне незначительная, используют планарные делители. В случае, если абоненты находятся на разном отдалении от головной станции — используются делители сварного типа. Следует отметить, что интернет-трафик и телефония в сетях PON передает и принимает на длинах волн 1490 нм и 1310 нм, что позволяет использовать в сетях PON двухоконные делители сварного типа.

В качестве компонентов оптических систем зачастую используются делители сварного типа с неравномерным делением. Самым распространенным назначением данных пассивных компонентов является отведение оптической мощности в тестовый порт или на измерительное оборудование, например, в оптических усилителях с обратной связью делители передают часть сигнала на фотодетекторы, контролирующие работу усилителя.