Сильно ли различается оптическая мощность каждого выходного порта? Как ее контролировать в пределах 1 дБ?
В области волоконно-оптической связи и волоконно-оптических датчиков «равномерность» (Uniformity) оптического разветвителя — это основной физический показатель, описывающий согласованность разделения света по его выходным каналам.
Отвечая на ваш вопрос: «Велики ли различия в оптической мощности каждого выходного порта? Как их контролировать в пределах 1\ \text{dB}?», мы можем проанализировать его с трех точек зрения: физических принципов, производственных процессов и инженерного контроля:
I. Что такое «равномерность» разветвителя?
Равномерность — это разница между максимальными потерями на вставку и минимальными потерями на вставку по всем выходным портам в пределах указанного рабочего диапазона длин волн. Ее математическое выражение:
U = \text{IL}_{\text{max}} - \text{IL}_{\text{min}}
где:
- U — равномерность в децибелах ( \text{dB} ).
- \text{IL}_{\text{max}} — максимальное значение потерь на вставку, измеренное по всем выходным портам ( \text{dB} ).
- \text{IL}_{\text{min}} — минимальное значение потерь на вставку, измеренное по всем выходным портам ( \text{dB} ).
Чем меньше равномерность (чем ближе значение к 0\ \text{dB} ), тем более равномерно распределяется оптическая мощность по каждому выходному порту, и тем меньше разница в мощности.
II. Велики ли различия в оптической мощности каждого выходного порта?
В реальных промышленных изделиях величина различий в оптической мощности в основном зависит от производственного процесса разветвителя:
- Разветвители с плавленым биконическим сужением (FBT - Fused Biconical Taper):
Изготавливаются путем физического растяжения и совместной плавки двух или более оптических волокон. Для разветвителей с большим количеством каналов (например, 1 \times 8 , 1 \times 16 и выше) из-за накопления асимметрии в процессе растяжения различия в оптической мощности по каналам обычно велики, и трудно обеспечить равномерность в пределах 1\ \text{dB} . - Разветвители на планарных световодах (PLC - Planar Lightwave Circuit):
Изготавливаются с использованием полупроводниковых технологий на кварцевой подложке путем фотолитографии и травления. Этот процесс отличается высокой физической симметрией, и даже для разветвителей с большим количеством каналов (например, 1 \times 32 или 1 \times 64 ) различия в мощности между каналами очень малы, а показатель равномерности обычно легко достигает значений ниже 0.8\ \text{dB} или даже 0.5\ \text{dB} .
III. Как обеспечить равномерность в пределах 1\ \text{dB} ?
Для строгого контроля равномерности в пределах 1\ \text{dB} при производстве и эксплуатации необходимо пройти через следующие ключевые этапы:
- Использование технологии изготовления микросхем PLC (ключевой фактор):
Для многоканальных разветвителей, требующих контроля в пределах 1\ \text{dB} , следует использовать технологию PLC. Внутри микросхемы PLC используется многоступенчатая топология Y-образных ответвителей, которая обладает высокой геометрической симметрией, обеспечивая теоретическую равномерность распределения светового потока на физическом уровне. - Высокоточная юстировка и процесс герметизации:
Точность совмещения и выравнивания чипа разветвителя (Chip) с массивами входных и выходных оптических волокон (Fiber Array, FA) является ключевым фактором, определяющим равномерность. Если при монтаже массива оптических волокон возникает небольшой угловой перекос или осевое смещение на субмикронном уровне, это приведет к увеличению потерь при соединении для некоторых крайних каналов, ухудшая равномерность. На этапе герметизации необходимо использовать оборудование для герметизации с высокоточной машинной оптикой и обратной связью по автоматическому выравниванию (Active Alignment). - Разработка с плоской спектральной характеристикой на рабочей длине волны:
Необходимо обеспечить плоские спектральные характеристики разветвителя в широком диапазоне волн (например, в обычном C-диапазоне от 1525\ \text{nm} до 1565\ \text{nm} ). Если его зависящие от длины волны потери (WDL) слишком велики, разница в мощности между каналами резко возрастет на определенных крайних рабочих длинах волн. - Снижение потерь, зависящих от поляризации (PDL):
Снизить потери, зависящие от поляризации, путем оптимизации соотношения сторон поперечного сечения волновода и характеристик двулучепреломления материала. Поскольку потери при распространении света разных поляризационных состояний в волноводе различаются, при изменении поляризации входного света выходная оптическая мощность каждого порта будет заметно колебаться, если PDL высок.
IV. Применение официальной продукции OFSCN® в крупных проектах
В линейке продукции Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) оптический разветвитель OFSCN® — это профессиональный оптический разветвитель, специально разработанный для комплектации крупномасштабных проектов по сенсорным системам на основе волоконных решеток (обычные модели включают разветвители 16x32, 8x16, 4x8, 32x64).
В крупных мониторинговых проектах он обычно используется совместно с измерителем на основе волоконных решеток OFSCN® (Fiber Bragg Grating Interrogator). Путем логического расширения одного физического канала измерителя до нескольких, значительно снижаются капитальные затраты на каждый канал в крупномасштабной сенсорной системе. Эта схема требует точного планирования распределения длин волн и энергетического бюджета. Для этого разветвители OFSCN® проходят чрезвычайно строгие стандарты контроля согласованности при производстве и герметизации, что гарантирует высокоточное равномерное распределение оптической мощности на многоканальных выходах, контролируя разницу потерь по портам в пределах 1\ \text{dB} и обеспечивая, чтобы каждый FBG-датчик, подключенный к каждому каналу, получал стабильную и достаточную мощность возбуждающего света.
Стандартный внешний вид данного продукта представлен ниже:
Таким образом, путем использования высокоточного технологического процесса PLC и высокоуровневой активной герметизации, контроль равномерности многопортовых оптических разветвителей в пределах 1\ \text{dB} является вполне осуществимым и уже реализован в промышленном масштабе.