Ćwiczenie 11

Sprzęgacze światłowodowe

Niniejsze ćwiczenie pozwala na:
• zapoznanie się z budową i zasadą działania sprzęgaczy światłowodowych

1.Konstrukcje sprzęgaczy światłowodowych

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową, sposobem wytwarzania opisem parametrów oraz zastosowaniem sprzęgaczy światłowodowych. Podstawową funkcją sprzęgaczy światłowodowych jest dzielenie i łączenie sygnału optycznego w torach światłowodowych. Najbardziej typowymi sprzęgaczami są sprzęgacze typu X (o czterech portach, z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem ) i Y (o trzech portach, z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem) oraz sprzęgacze 1 x N, N x N oraz N x M.

Najprostszą strukturą sprzęgacza jest sprzęgacz czteroportowy. Sprzęgacz ten składa się z dwóch światłowodów. Moc optyczna P₀ wprowadzona do wejścia 1 rozdziela się w stopniu określonym przez współczynnik sprzężenia na wyjścia P₂ i P₃.. W obszarze sprzężenia włókien część mocy ulega rozproszeniu. Na wyjściach P₁ i P₄ pojawia się moc rozproszenia wstecznego. Odwrotna sytuacja występuje przy wprowadzaniu sygnału optycznego wejściem P₂ i P₃, wyjściami są wtedy P₁ i P₄.

Czteroportowy sprzęgacz światłowodowy charakteryzują następujące parametry:

straty S = - 10 log ( P2 + P3 )/P0 [ dB ]

wsp. sprzężenia Ws = P3/( P2 + P3 ) x 100 % [ % ]

kierunkowość K = - 10 log P4/P0 [ dB ]

Powyższe zależności są słuszne, jeśli zasilany jest port 1. Kiedy przez zasilanie każdego z portów uzyskujemy takie same parametry sprzęgacz nazywamy jednorodnym. Większość katalogów podaje parametry sprzęgaczy jednorodnych, ewentualnie ich odstępstwa od jednorodności. Bardziej wszechstronnie parametry sprzęgacza opisują macierze przejścia, zgodnie z normą 875-1 IEC

gdzie tij jest częścią optycznej mocy Pij przenoszonej z portu i do portu j, w stosunku do mocy wejściowej P_i.

tij = P_ij/P_i

Macierze te pozwalają opisać sprzęgacze symetryczne, tzn. takie w której elementy macierzy są symetryczne względem głównej przekątnej oraz asymetryczne, gdzie ten warunek nie jest spełniony. Często parametry sprzęgacza przedstawia się przy pomocy logarytmicznej macierzy przejścia, wtedy elementy macierzy są:

a ij = - 10 log tij

gdzie tij są współczynnikami macierzy przejścia

Sprzęgacze światłowodowe znajdują zastosowania w systemach sieci lokalnych oraz czujnikach światłowodowych. Przy dużej liczbie abonentów w sieciach korzystnie jest (ze względu na lepszy bilans mocy) stosować sprzęgacze typu gwiazda lub sprzęgacze asymetryczne. Sprzęgacze asymetryczne charakteryzują się tym, że stosunkowo dużo mocy wprowadzają do linii głównej, a mało z niej wyprowadzają, co pozwala do sieci liniowej wprowadzić większą liczbę użytkowników.

Sprzęgacze typu gwiazda niekiedy nie są charakteryzowane przy pomocy macierzy, chociaż taka charakterystyka jest przydatna dla potrzeb analizy sieci lokalnych. Zamiast podawać wartości wszystkich elementów macierzy tij często określa się średnią wartość elementów macierzy oraz parametr określający odchylenie od wartości średniej.

Sprzęgacz idealny to takie urządzenie, które odprzęga z dowolnego światłowodu określoną wartość mocy optycznej bez wnoszenia strat i zakłócenia transmisji optycznej. Efektywność sprzężenia nie powinna zależeć od kierunku transmisji, rozkładu modów długości fali światła propagowanego i stanu polaryzacji.

Znane konstrukcje sprzęgaczy światłowodowych to techniki sprzęgania czołowego i bocznego. Technika sprzęgania czołowego polega na bezpośrednim (lub pośrednim - za pomocą mikrooptycznych elementów) optycznym kontakcie rdzeni łączonych światłowodów. Średnice łączonych rdzeni na ogół pokrywają się . Zatem w sprzęgaczach typu 1 x N rdzenie światłowodów muszą ulec zmniejszeniu średnicy o N razy przy sprzęganiu jednorodnych włókien. Sprzęganie czołowe światłowodów wykonuje się za pomocą dwóch technologii: spawania i mikrooptyki. W technologii spawania mechaniczne łączenie elementów sprzęgacza, w tym przypadku światłowodów odbywa się przez ich stopienie w płomieniach palnika lub łuku elektrycznym.

Technika sprzęgania bocznego polega na bezpośrednim kontakcie optycznych włókien wzdłuż osi na długości sprzężenia l. Sprawność sprzężenia w sprzęganiu bocznym zależy od dwóch parametrów: drogi sprzężenia l i współczynnika sprzężenia, który jest funkcją odległości separacji h rdzeni światłowodów.

W technologii spawania bocznego mechaniczne łączenie elementów sprzęgacza, (światłowodów) odbywa się przez ich stopienie w płomieniach palnika lub łuku elektrycznym. Włókna układa się równolegle, skręca w obszarze spawania i stapia w jeden wspólny falowód. W czasie stapiania włókno rozciąga się, co w efekcie daje dwustożkowe przewężenie spawanej wiązki. Strefę spawania należy pokryć płaszczem optycznym, odbudować elastyczne pokrycie światłowodu i umieścić sprzęgacz w sztywnym opakowaniu.

Druga technologia łączenia bocznego polega na sklejaniu włókien. Światłowody wkleja się w V rowkach w blokach kwarcowych na promieniu wygięcia R. Zewnętrzną część włókna szlifuje się, a następnie poleruje wraz z bloczkiem na określoną głębokość h. Grubość zeszlifowanej warstwy można wyznaczyć w sposób pośredni, przez pomiar długości l zeszlifowanego owalu włókna, którą można łatwo zmierzyć w mikroskopie. Długość l jest cięciwą łuku wygięcia R włókna, więc grubość zeszlifowania wyraża się jako h = l2 / 8R . W sprzęgaczach wielomodowych , wykonywanych metodą szlifowania wielkość współczynnika sprzężenia dla określonego promienia R jest funkcją głębokości zeszlifowania włókna h. Dwa zeszlifowane elementy łączone są przy pomocy cieczy imersyjnej lub kleju o określonym współczynniku załamania przy pomocy mikromanipulatora tak aby uzyskać pożądane parametry sprzęgacza (współczynnika sprzężenia i tłumienność). Generalnie w celu uzyskania sprzęgacza dąży się do pokrycia podobnie zeszlifowanych owalów sprzęgacza.

Przez odpowiednie połączenie sprzęgaczy X można uzyskać sprzęgacze wielokrotne typu gwiazda. Gwiazdy transmisyjne to połączenia sprzęgaczy 2x2. Sprzęgacze łączone są za pomocą spawów. Gwiazdy odbiciowe oprócz sprzęgaczy 2x2 zawierają elementy odbijające 50 % i 100 %.

2. Układ pomiarowy

Układ pomiarowy do pomiaru parametrów sprzęgaczy składa się z

1. lasera dla długości fali 850 nm wraz z układem wprowadzania wiązki do światłowodu

2. światłowodowego miernika mocy

Czynności zalecane przy wykonywaniu ćwiczenia:

Zmierzyć parametry gotowych sprzęgaczy, przedstawić je w postaci tradycyjnych parametrów oraz macierzy transmisji.

Literatura:

1. Mieczysław Szustakowski " Elementy techniki światłowodowej " Warszwa 1992

2. T.Tanaka, H. Serizawa, Y. Tsujimato " Characteristics of directional couplers with

lapped multimode fibres " Applied Optics, vol. 19, no 12, str 2019

3. M Kieli "Asymmetric fiber optic coupler for LAN applications "SPIE vol 722

Components for Fiber Optic Applications, 1986, str 53

4. Arun K. Agarwal "Review of Optical Fiber Couplers ", Fiber Integrated optics, vol 6 nr7,

str 27

5. R. Griffin, J.D. Love, P.R.A. Lyons, D. A. Thorcraft and S. C. Rashleigh "Asymmetric

Multimode Couplers" Journal of Lichtwave Technology, vol. 9, no 11, 1991 str 1508

6. E. Pawlik "Optical fiber couplers for local area networks "

Proceedings 4th European Symposium and Exhibition on Semiconductor Engineering

and Materials Technology, S E T 94 str 239 - 242

---