Лекція 2 фізичні основи мультиплексування та демультиплексування

2.1. Вступ

Підвищення пропускної здатності існуючих та створюваних заново оптичних ліній та мереж зв’язку (обміну даними) пов’язано з використанням спектрального ущільнювання. Необхідними пристроями в техніці спектрального ущільнювання є оптичні мультиплексори та демультиплексори – для об’єднання декількох несучих у одному оптоволоконному тракті та для виконання оберненої функції.

Мультиплексування грунтується на явищі інтерференції. Для мультиплексування використовують явище дифракції .

Вперше інтерференцію продемонстрував у 1801 році Т.Юнг. Перед джерелом світла поміщено щілину, а на деякій відстані від неї – ще дві щілини, що розташовані симетрично. На екрані, що встановлений ще далі, спостерігаються світлі та темні смуги, що чергуються. Їх поява пояснюється наступним чином. Щілини S₁ та S₂, на які світло падає з щілини S, відіграють роль двох вторинних джерел, що випромінюють світло у всіх напрямах. Світлою чи темною буде певна точка на екрані – залежить від того, у якій фазі прийдуть в цю точку світлові хвилі від щілин S₁ та S₂. У точці Р₀ довжини шляхів від обох щілин однакові. Тому хвилі від S₁ та S₂ приходять у одній фазі, їх амплітуди додаються, тому інтенсивність світла тут буде максимальною. Якщо ж від цієї точки відійти на таку відстань, щоб різниця ходу променів від S₁ та S₂ дорівнюватиме половині довжини хвилі, то максимум однієї хвилі накладається на мінімум іншої_, тому результатом буде зменшення інтенсивності (точка Р₁). Якщо перейти далі до точки Р₂, де різниця ходу становитиме цілу довжину хвилі, то у цій точці знову буде спостерігатися максимальна інтенсивність, і так далі. Накладання хвиль, що призводить до чергування максимумів та мінімумів інтенсивності, і називається інтерференцією. У випадку додавання амплітуд інтерференція називається підсилюючою (конструктивною), а випадку віднімання – послаблюючою (деструктивною).

Близьким до інтерференції є явище дифракції. Більш докладно ці явища були розглянуті в курсі фізики.

2.2. Інтерференційні фільтри

Інтерференційні фільтри виготовляються для спектрального діапазону від 250 до 5000 нм з довільною півшириною смуга пропускання від 0,003λ до 0,25 λ.

З боку короткохвильової частини спектру інтерференційні фільтри блокуються аж до рентгенівського діапазону, а з боку довгохвильової сторони межа блокування визначається областю чутливості фотоприймача. Фонове пропускання фільтрів зазвичай складає не більш 0,1 %, однак при необхідності його можна зменшити до 0,01 – 0,001%. Слід зазначити, що чим менша ділянка блокування, тим більше значення Т_max може бути досягнуте. Як правило, ультрафіолетові фільтри блокують до 700 – 1100 нм при Т_max = 30 – 50%, а фільтри, розраховані на діапазон 1500 – 5000 нм, можуть бути блокованими до дальньої інфрачервоної ділянки при Т_max = 55 – 65%.

Важливе значення для фільтру має форма смуги пропускання, яка визначається конструкцією шарів покриття. Характеристикою форми смуги фільтра є відношення , яке може набувати значень від 3 до 1,25, при цьому форма смуги наближається до прямокутної (мал. 2.1).

Для захисту від впливу атмосферної вологості усі фільтри герметизуються (випробування надійності проводяться при вологості 98% та температурі 40ºС протягом 120 годин). В робочих умовах (вологість не більша 70%, атмосферний тиск 600 – 700 Торр, температура 5 – 35 ºС) гарантується збереження паспортних даних на протязі 3 років.

Виготовлені серійно фільтри мають діаметр 10,5, 20,7, 31, 41 і 50,8 мм при чистових апертурах 7, 16, 26, 35 та 46 мм відповідно.

Рис. 2.1. Спектральна характеристика вузькосмугового фільтра

Рис. 2.2. Форма смуги пропускання фільтра в залежності від параметра : 3 (1), 1.7 (2), 1,25 (3).

Принцип дії інтерференційних фільтрів Фабрі - Перо полягає у тому, що кожен падаючий промінь, багаторазово відбиваючись, ділиться на велику кількість променів, різниця ходу між якими зростає у арифметичній прогресії. Якщо різниця ходу між двома наступними променями кратна довжині хвилі, то фільтр має максимум пропускання, якщо не кратна, то пропускання зменшується, і це відбувається більш помітно при більшій кількості інтерферуючих променів.