12. Dezember 2022
Erforschung der Technologien des Multiplexing und Demultiplexing
Was sind Multiplexer und Demultiplexer?
Multiplexer und Demultiplexer basieren auf vier konkurrierenden Technologien: Faser-Bragg-Gitter, Array-Wellenleitergitter, Dünnschichtfilter und Beugungsgitterfilter. In diesem Beitrag untersuchen wir diese vier Technologien genauer und beleuchten die technischen Aspekte hinter den Kulissen, die dafür sorgen, dass Mux/Demux-Geräte funktionieren.
1. Faser-Bragg-Gitter (FBG)
Ein Bragg-Gitter ist ein kurzes Faserstück, bei dem der Brechungsindex über ein kurzes Stück entlang der Faser periodisch moduliert wird. Dies bedeutet, dass für jede WDM-Sequenz {λ1, λ2, …, λB, λN} alle Wellenlängen außer λB unverändert durch die Faser geleitet werden. Stattdessen wird λB vollständig zur Quelle zurückreflektiert. (λB = 2ηeΛ, wobei ηe der effektive Brechungsindex im Faserkern und Λ die Gitterperiode ist.) Das Bragg-Gitter erfordert einen optischen Zirkulator, um das Multiplexen und Demultiplexen zu vervollständigen. Ein Zirkulator ist ein nichtreziprokes optisches 3-Port-Gerät, das jedes Eingangssignal Si vom Port Pi durchlässt und das Signal SO = Si an Port PO = (Pi mod 3) +1 ausgibt. Eine visuelle Beschreibung finden Sie in unserem Zirkulatordiagramm.
2. Dünnschichtfilter
Bei Dünnschichtfiltern handelt es sich um mehrere Schichten sehr dünner Materialien, die auf Glasträgern abgeschieden werden. Die Materialien werden so ausgewählt, dass sie abgestimmte Brechungsindexwerte aufweisen. Einfallendes Licht wird größtenteils vom Gerät reflektiert; Allerdings kann die abgestimmte Wellenlänge das Gerät in beide Richtungen passieren (dies ist das Gegenteil des Faser-Bragg-Gitters). Der Multiplexer verfügt über N Dünnschichtfilter, die auf jede Wellenlänge abgestimmt sind. Die Eingangswellenlänge passiert den Filter und gelangt in die Ausgangsfaser. Das Signal wird dann wie gezeigt mit den anderen N-1 Dünnschichtfiltern kombiniert. Die Dünnschichttechnologie bietet eine hervorragende Spektralformung bei geringen Kosten. Typischerweise wird es bei Systemen mit weniger als 40 Kanälen verwendet. Darüber hinaus ist es bidirektional und temperaturwechselbeständig. Dünnschichtfilter sind vollständig passiv und weisen eine geringe Einfügungsdämpfung auf.
3. Array-Wellenleitergitter (AWG)
Array-Wellenleitergitter bestehen aus einem optischen Splitter/Kombinator, einer Reihe von Fasern unterschiedlicher Länge und einem optischen Koppler. Der Koppler hat N Eingänge, einen für jedes λi {I ε 1, N}. Ein gegebener Eingang wird geteilt und an jeden der Fasereingänge angelegt (einzelne optische Signale mit jeweils eigenem λi treffen auf den optischen Koppler). Von dort laufen die Signale über jede Faser mit variabler Länge, wo sie am optischen Kombinator enden. Die Faserlängen für diese Technologie sind so abgestimmt, dass die Phasenbeziehungen der einzelnen Signale konstruktiv oder destruktiv miteinander interferieren. Der Ausgang des Kombinierers sind die linear summierten Signale vom Eingang des Optokopplers.
Beim Demultiplexen nimmt der Demultiplexer das gemischte Signal und präsentiert es den N Fasern unterschiedlicher Länge. Da jede Faser ihre eigene abgestimmte Länge hat, wird jede Ausgabe um einen berechneten Betrag phasenverzögert. Die verzögerten Signale werden dann jeder Ausgangsfaser zugeführt, wo sie konstruktiv und destruktiv interferieren. Daher kommt es zum Demultiplexen. Array-Wellenleitergitter führen zu einer Polarisationsmodendispersion und können einen hohen Einfügungsverlust aufweisen. Sie sind sehr temperaturabhängig und erfordern im Allgemeinen eine Temperaturkontrolle, um die richtigen Phasenbeziehungen aufrechtzuerhalten. AWG-Geräte unterstützen auch große Kanalzahlen und enge Kanalabstände. Sie sind für größere Kanalzahlen geeignet und verfügen über eine zufriedenstellende Filterreaktion.
4. Beugungsgitterfilter
Ein Beugungsgitterfilter besteht aus einer Gitterlinse, die das Licht entsprechend seiner Wellenlänge beugt. Im Gegensatz zur Brechung tritt Beugung auf, wenn eine Welle auf ein Objekt im freien Raum trifft, das mit ihrer Wellenlänge kompatibel ist. Wenn wir davon ausgehen, dass eine einfallende Welle, die ein Hindernis (z. B. einen Spalt in einem Beugungsgitter) erreicht, nach dem Huygens-Fresnel-Prinzip wirkt, dann ist eine Reihe von Monopolstrahlern vorhanden, die entsprechend der einfallenden Wellenlänge im Spalt gleichmäßig verteilt sind. Diese Monopolstrahler interferieren sowohl konstruktiv als auch destruktiv auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes; Dadurch entsteht ein Muster, das von der Wellenlänge des Signals abhängt. Bei diesem Prinzip wird eine einfallende Welle, die aus mehreren λs besteht, spektral auf eine Reihe von Ausgangsfasern verteilt.
Wie unten gezeigt (Abbildung 1.1), enthält die Mittelkeule den größten Teil der Signalintensität; Allerdings sind die Nebenkeulen gemäß der Bessel-Funktion erster Art (J1) periodisch. Das Argument der Bessel-Funktion ist proportional zu ka, der Wellenzahl und dem Durchmesser der Apertur. Wenn wir die Aperturgröße (die Größe des Beugungsgitters) festlegen, ist die durch die Bessel-Funktion gegebene Streuung vollständig wellenlängenabhängig (Abbildung 1.2 unten in Rot dargestellt). Ein Beugungsgitter kann entweder auf einem durchlässigen oder einem reflektierenden Material aufgebaut sein. Es weist im Allgemeinen eine geringe Temperaturempfindlichkeit auf, ist bidirektional und weist eine geringe Einfügungsdämpfung auf. Diese Technologie ist rein passiv und unterstützt variable Kanalbandbreiten/große Kanalzahlen.
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