¿Cuáles son los tipos de componentes pasivos de fibra óptica? Introducción detallada a las características de los distintos tipos de componentes pasivos de fibra óptica.
Tecnología de dispositivos pasivos de fibra óptica
El dispositivo pasivo de fibra óptica es una parte importante del sistema de comunicación de fibra óptica. Según su clasificación funcional, existen conectores de fibra óptica, acopladores de fibra óptica, multiplexores por división de longitud de onda, conmutadores ópticos, atenuadores ópticos, aisladores ópticos y circuladores ópticos, etc. Los sistemas de comunicación por fibra óptica se están desarrollando hacia redes de acceso, redes de banda ancha, sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa y redes totalmente ópticas, que han planteado requisitos nuevos y mayores para la tecnología de componentes pasivos de fibra óptica. Por lo tanto, cómo captar la dirección del desarrollo tecnológico de los componentes pasivos de fibra óptica para adaptarse a la demanda del mercado se ha convertido en una preocupación para los profesionales de la industria. Este artículo presenta primero la descripción técnica de los componentes pasivos de fibra óptica y luego analiza la dirección de desarrollo técnico de los componentes pasivos de fibra óptica. En resumen, es la miniaturización de los conectores de fibra óptica, la banda ancha de los acopladores de fibra óptica y la densificación de la división de longitud de onda. Se analizan brevemente los multiplexores, la matriz de conmutadores ópticos y la integración de componentes pasivos de fibra óptica.
1. Descripción técnica de los componentes pasivos
1. Clasificación y aplicación
Existen muchos tipos de componentes pasivos de fibra óptica con diversas estructuras. Según la función del componente.
El conector (cable) de fibra óptica es un dispositivo con función de conexión en líneas de comunicación de fibra óptica. Además de las uniones fijas entre cables ópticos, la mayoría de ellos son conectores móviles de un solo núcleo o de varios núcleos, que se utilizan para conectar cables ópticos a cuadros de distribución óptica (ODF) y para conectar cuadros de distribución óptica a terminales ópticos.
El acoplador de fibra óptica es un dispositivo con funciones de derivación o acoplamiento en líneas de comunicación de fibra óptica. Según la forma de su configuración de puerto, se puede dividir en acoplador de árbol y acoplador de estrella. Generalmente se compone de un único acoplador 1?2 (tipo Y) y un acoplador 2?2 (tipo X) en cascada. Redes de fibra, como TV por cable de fibra óptica, red de área local (LAN), etc.
El multiplexor por división de longitud de onda es un dispositivo que puede dividir y multiplexar/demultiplexar longitudes de onda en líneas de comunicación de fibra óptica. Según el número de longitudes de onda multiplexadas, se puede dividir en multiplexores de dos longitudes de onda y multiplexores de múltiples longitudes de onda; según el intervalo entre las longitudes de onda multiplexadas, se puede dividir en multiplexores de división de longitud de onda gruesa (CWDM) y multiplexores de división de longitud de onda densa (. DWDM), utilizado en varios sistemas de multiplexación por división de longitud de onda, amplificadores de fibra, etc.
El interruptor óptico es un dispositivo con función de conversión de ruta óptica en líneas de comunicación de fibra óptica. Según la configuración de sus puertos, se puede dividir en conmutador óptico multicanal (1?N) y conmutador óptico matricial (N?N). Generalmente está compuesto por un único conmutador óptico 1?2 o 2?2 en cascada. para respaldo de líneas, sistemas de prueba y redes totalmente ópticas, etc.
El atenuador óptico es un dispositivo que puede atenuar parte de la energía de la señal óptica tal como se requiere en las líneas de comunicación de fibra óptica. Según la capacidad de ajuste de la atenuación, se puede dividir en atenuador fijo y atenuador ajustable.
El aislador óptico es un dispositivo que permite transmitir señales ópticas en una sola dirección en líneas de comunicación de fibra óptica.
El circulador óptico es un dispositivo que permite transmitir señales ópticas de forma cíclica únicamente a lo largo de un camino fijo.
2. Estructura y proceso
La estructura y el proceso de los componentes pasivos de fibra óptica se pueden dividir a grandes rasgos en tres tipos.
El primero es una estructura íntegramente de fibra. Sólo tienen fibras ópticas en el camino óptico y ninguna otra pieza óptica. Por ejemplo, el conector de tipo de contacto de extremo de fibra (también conocido como tipo de campo cercano) utiliza un cuerpo de enchufe mecanizado con precisión (el de un solo núcleo suele ser de cerámica, el de varios núcleos suele ser de polímero). Se muele y se pule y luego se equipa con piezas periféricas. Otro ejemplo es el acoplador bit-cónico fusionado (FBT), que utiliza un microsoplete para calentar y estirar las áreas de acoplamiento de dos fibras ópticas de contacto paralelo para formar un bit-cónico, que a menudo se denomina método de conicidad fusionada.
El segundo tipo es una estructura combinada de componentes discretos, también conocidos como dispositivos microópticos. Consisten en fibras ópticas y varios componentes ópticos diminutos, como lentes de autoenfoque, prismas, filtros, etc. La ruta óptica básica es una fibra óptica paralela con función de expansión/enfoque del haz compuesta de fibras ópticas y dos autoenfoques de 1/4 de paso. lentes de enfoque. Entre las dos lentes de autoenfoque de 1/4 de paso, se colocan componentes microópticos relevantes según los requisitos funcionales.
El tercer tipo es una estructura de guía de ondas plana, también conocida como dispositivo fotónico integrado. La ruta óptica central es una variedad de guías de ondas ópticas planas fabricadas de acuerdo con requisitos funcionales utilizando tecnología óptica integrada. Algunas también necesitan depositar electrodos en ciertas posiciones, y luego las guías de ondas ópticas se acoplan con fibras ópticas o conjuntos de fibras ópticas.
2. Miniaturización de los conectores de fibra óptica
Los conectores de fibra óptica son los componentes pasivos de fibra óptica más utilizados en los sistemas de fibra óptica.
Las variedades principales actuales son el tipo FC (tipo de conexión roscada), el tipo SC (tipo en línea) y el tipo ST (tipo hebilla). La característica más común de ellos es que todos tienen pasadores de cerámica con un diámetro de 2,5 mm. Los pines se pueden rectificar con precisión en grandes volúmenes para garantizar una alineación precisa de las conexiones de fibra óptica. Es muy conveniente ensamblar el pasador y la fibra óptica. Después de esmerilar y pulir, la pérdida de inserción es generalmente inferior a 0,2 dB. Con el desarrollo de las redes de acceso de fibra óptica, la densidad de los cables ópticos y la densidad de los conectores en los marcos de distribución de fibra óptica siguen aumentando. Los conectores utilizados actualmente han mostrado las desventajas de ser demasiado grandes y demasiado caros. Por lo tanto, la miniaturización es la clave. a los conectores de fibra óptica.
Una de las miniaturizaciones consiste en reducir el tamaño de los conectores de fibra óptica de un solo núcleo y desarrollar conectores miniaturizados (SFF), como el conector LC de Lucent en Estados Unidos, el conector MU de NTT en Japón. y el conector MU en Suiza. El diámetro de su clavija es de sólo 1,25 mm, por lo que la densidad de ensamblaje es más del doble que la de los conectores existentes. Los pasadores de tipo LC y tipo MU están fabricados de material cerámico, mientras que los pasadores de tipo E-2000 están fabricados de estructura compuesta cerámico-metal.
La segunda parte de la miniaturización es el desarrollo de conectores de fibra óptica multinúcleo adaptados a fibras ópticas de cinta, es decir, conectores de fibra óptica de la serie tipo MT. Por ejemplo, la empresa japonesa Fujikura utilizó fundas de conector mini-MT para desarrollar un conector de fibra óptica de dos núcleos MT-RJ que es más pequeño y cumple plenamente con los requisitos del estándar japonés RJ-45 para electrodomésticos. Estados Unidos A partir de componentes MT, se han desarrollado conectores de fibra óptica MTP/MPO que pueden conectar fibras ópticas de 4, 8, 10 y 12 núcleos, el pequeño conector de fibra óptica MT de la empresa estadounidense Siecor, es decir, el pequeño; El conector tipo MAC solo se puede utilizar como máximo para fibra óptica de 4 núcleos; además, American Berg Electronics Company también ha desarrollado un pequeño conector tipo MAC para cintas de fibra óptica, que puede conectar fibras ópticas de 2 a 18 núcleos. Los casquillos de estos conectores están hechos de material polimérico. Se espera que en unos años, los conectores miniaturizados de fibra óptica de un solo núcleo y los conectores de fibra óptica de múltiples núcleos, principalmente conectores de fibra óptica de cinta, unan fuerzas con los conectores actualmente ampliamente utilizados con clavijas de 2,5 mm de diámetro para formar una situación de trípode. .
3. Banda ancha de acopladores de fibra
Actualmente, el método que puede producir acopladores de fibra monomodo en grandes cantidades es la fusión cónica. Cuando el núcleo de la fibra se vuelve más delgado, se forma una conicidad doble. En este momento, debido a la expansión del diámetro del campo modal, la señal de una fibra se puede acoplar a la otra. En este método, dado que el coeficiente de acoplamiento entre fibras ópticas está relacionado con la longitud de onda, cuando cambia la longitud de onda de la transmisión óptica, el coeficiente de acoplamiento también cambiará, es decir, la relación de división del acoplador cambia generalmente, la tasa de cambio de la división. La relación con la longitud de onda es de 0,2% nm. El ancho de banda permitido de este tipo de acoplador es generalmente de sólo ?20 nm y se denomina acoplador estándar. Obviamente, dentro del rango de ancho de banda permitido, el cambio en la proporción de división es ~4%. Este tipo de acoplador puede denominarse acoplador plano de longitud de onda. Por lo tanto, la banda ancha es una importante dirección de desarrollo de los acopladores.
Para fabricar acopladores de banda ancha, muchas empresas han mejorado el proceso cónico fusionado basándose en una investigación en profundidad sobre la teoría del acoplamiento bicónico fusionado o en una práctica extensa. Por ejemplo, considerando que el acoplamiento de la bicona fundida es periódico, cuantos más períodos de acoplamiento, mayor será la relación entre el coeficiente de acoplamiento y la longitud de onda de transmisión. Por lo tanto, se debe minimizar el número de acoplamientos en la bicona fundida, y es mejor. para completar el acoplamiento dentro de un ciclo; por otro ejemplo, cambiar las constantes de retransmisión de las dos fibras ópticas también puede reducir la relación entre el coeficiente de acoplamiento y la longitud de onda de transmisión. Por lo tanto, se pueden seleccionar dos fibras ópticas con diferentes diámetros de núcleo para fundir y El ahusamiento, o una fibra óptica puede estar corroída o preestirada. Luego realice el ahusamiento de fusión junto con otra fibra óptica.
El uso de una estructura de combinación de componentes discretos y una estructura de guía de onda plana puede mejorar fundamentalmente el ancho de banda del acoplador. En un acoplador con una estructura de componentes discretos, generalmente se usa una película semitransparente para dividir la luz. Las características de ancho de banda requeridas se pueden lograr mediante el diseño y la fabricación de la capa de película. En un acoplador de banda ancha con una estructura de guía de ondas plana, el ancho de banda. Puede alcanzar los 350 nm, que es el cono de fusión actual que es difícil de lograr por ley.
IV.Densificación de multiplexores por división de longitud de onda
Los multiplexores por división de longitud de onda que se utilizan actualmente son principalmente multiplexores de dos longitudes de onda, como 1310/1550 nm, 980/1550 nm y hay tres tipos de 1480. /1550nm. El primero se utiliza para líneas de comunicación y los dos últimos se utilizan para amplificadores de fibra óptica. Su método de fabricación también es ahusado por fusión.
Con el desarrollo de sistemas de multiplexación por división densa de longitudes de onda, la demanda de multiplexores de múltiples longitudes de onda está aumentando, por lo que el espacio entre las longitudes de onda multiplexadas se está reduciendo. Cuando el espacio entre longitudes de onda es de 20 nm, generalmente se denomina multiplexor por división de longitud de onda gruesa (CWDM); cuando el espacio entre longitudes de onda es de 1 a 10 nm, generalmente se denomina multiplexor por división de longitud de onda densa (FDM). Estos multiplexores a veces también se denominan en términos generales multiplexores por división de longitud de onda densa. La densificación es la dirección de desarrollo de los multiplexores por división de longitud de onda. Dependiendo del método de fabricación, existen tres tipos principales de multiplexores por división de longitud de onda densa: tipo de filtro de película delgada, tipo de rejilla de Bragg de fibra y tipo de rejilla de guía de ondas dispuesta.
El filtro de película delgada coloca una película dieléctrica multicapa entre dos lentes de autoenfoque de paso de 1/4 y utiliza el efecto de interferencia de la película dieléctrica multicapa para crear una banda que es transparente a una Filtro de paso de cierta longitud de onda (BWDM), cuando las longitudes de onda multiplexadas inciden en el eje lateral, solo se transmite una longitud de onda y otras longitudes de onda se reflejan. Varios de estos multiplexores están conectados entre sí para formar un multiplexor denso por división de longitud de onda. El rendimiento general de este producto es: ancho de banda de paso de aproximadamente 13 nm, aislamiento de 25 dB, pérdida de retorno de 55 dB y pérdida de inserción de 4 dB.
El tipo de rejilla de fibra de Bragg utiliza luz ultravioleta para inducir cambios periódicos en el índice de refracción del núcleo de fibra. Cuando los cambios periódicos en el índice de refracción cumplen con las condiciones de la rejilla de Bragg, se reflejan las longitudes de onda correspondientes y otras. Las longitudes de onda pasan suavemente. Esta rejilla reflectante equivale a un filtro de parada de banda, también conocido como filtro apodizado o rejilla de Bragg apodizada. Las rejillas polifásicas como estas pueden formar de cierta manera multiplexores densos por división de longitud de onda.
El tipo de rejilla de guía de onda de matriz es un dispositivo fotónico integrado que utiliza una guía de onda plana. Su estructura básica consta de tres partes: matriz de guía de onda óptica de entrada/salida (E/S), guía de onda plana de área de transmisión libre y guía de onda curva. matriz. Cuando la diferencia de fase entre las guías de ondas curvas satisface la ecuación de rejilla, esta guía de ondas de matriz puede lograr la función de multiplexación/demultiplexación. NTT de Japón ha desarrollado una rejilla de guía de ondas que multiplexa 400 longitudes de onda. El espaciado de longitud de onda es de 0,2 nm, el aislamiento es de 30 dB, la pérdida por canal es de 3,8 a 6,4 dB y el tamaño es de 124 mm a 64 mm. El espaciado de longitud de onda del AWG convencional de 32 o 64 longitudes de onda es de 0,8 nm, el aislamiento es de 28 dB y la pérdida por canal es de 2 a 3 dB.
Entre las tres tecnologías de multiplexor por división de longitud de onda densa, el tipo de filtro de película delgada es el más maduro y representa aproximadamente el 45 % del mercado total, seguido por el tipo de rejilla de guía de onda dispuesta, que representa aproximadamente el 40 % del mercado; el mercado total de fibra óptica El tipo de rejilla de Bragg es más adecuado para fabricar multiplexores de división de longitud de onda densa de 50 GHz (el intervalo de longitud de onda es de 0,4 nm), lo que representa aproximadamente el 15% del mercado total.
5. Matriz de interruptores ópticos
En los últimos años, con la investigación sobre sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa y redes de comunicación totalmente ópticas, se requiere la conmutación de cada nodo, como el óptico. La conexión cruzada (OXC), la adición óptica y la multiplexación (OADM) y la conmutación de protección se completan directamente en la capa óptica, lo que requiere conmutadores ópticos. Dado que en estos nodos se intercambia una gran cantidad de fibras ópticas y longitudes de onda, este conmutador óptico debe ser un conmutador óptico matricial con una gran cantidad de puertos.
Los conmutadores ópticos matriciales con un gran número de puertos generalmente se componen de un único conmutador óptico de 1?2 o 2?2 en cascada. Aunque el interruptor óptico mecánico tradicional tiene un buen rendimiento en términos de pérdida de inserción, aislamiento, relación de extinción y sensibilidad de polarización, su tamaño es relativamente grande y su tiempo de acción es relativamente largo, generalmente decenas de milisegundos, lo que dificulta la formación de una gran cantidad de puertos ópticos de matriz. Los conmutadores ópticos no mecánicos son principalmente conmutadores ópticos de guía de ondas electroópticas. Sus velocidades de conmutación oscilan entre milisegundos y submilisegundos. Son muy pequeños y fáciles de integrar en conmutadores ópticos matriciales con una gran cantidad de puertos. La pérdida y el aislamiento son relativamente pobres. Por esta razón, en los últimos años han surgido dos nuevos tipos de interruptores ópticos que pueden integrar matrices de gran escala y tienen un buen rendimiento: los interruptores ópticos micromecánicos (MEMS) y los interruptores termoópticos.
Un interruptor óptico micromecánico es un interruptor óptico mecánico cuyo mecanismo de acción se realiza sobre el sustrato de una guía de ondas óptica plana. Por ejemplo, utilizando procesos de grabado profundo y difusión superficial, se puede producir un haz en voladizo como elemento móvil. parte del interruptor óptico. Los lados del voladizo se pueden utilizar como reflectores. Cuando no hay voltaje en el electrodo transversal en forma de lanzadera entre las partes móvil y fija, la trayectoria óptica tiene una salida reflejada; cuando se aplica un voltaje, el haz en voladizo genera un desplazamiento bajo la acción de la fuerza electrostática y la salida reflejada; de la pared lateral de la viga en voladizo es cero, logrando así la conversión de luz.
El interruptor termoóptico cambia el índice de refracción de la guía de ondas óptica mediante calentamiento, cambiando así la dirección de la salida de luz. Por ejemplo, un interruptor óptico de tipo burbuja es una zanja grabada en la intersección de dos guías de ondas ópticas planas, y se inyecta en la zanja un líquido de adaptación del índice de refracción, de modo que la señal óptica en la guía de ondas pueda transmitirse en línea recta. Utilizando una tecnología de inyección de tinta térmica similar a la utilizada en los multiplexores, se genera una burbuja en el líquido correspondiente en la intersección de las guías de ondas. La señal óptica se refleja en otra guía de ondas óptica bajo la acción de la reflexión interna total de la burbuja, logrando así la conversión de la luz. .
En la actualidad, el rendimiento de los conmutadores matriciales extranjeros con un gran número de puertos es suficiente para cumplir con los requisitos de conmutación de las redes totalmente ópticas. Por ejemplo, la empresa estadounidense Lucent ha desarrollado un cross-connect óptico de 1296 puertos utilizando tecnología mems, con una pérdida de inserción de 5,1 dB y un aislamiento de 38 dB. El interruptor óptico de 32?32 burbujas desarrollado por Agilent tiene una pérdida máxima de 7,5 dB. El tiempo de conversión del tipo micromecánico es de solo 3,7 ms y el del tipo burbuja también es inferior a 10 ms.
6. Integración de dispositivos pasivos Como se puede ver en lo anterior, la integración fotónica es un factor clave en la banda ancha de acopladores, la densificación de multiplexores por división de longitud de onda y la matriz de interruptores ópticos. , incluso la única manera. Además, los dispositivos fotónicos integrados tienen las ventajas de tamaño pequeño, fácil producción en masa y bajo costo. Por lo tanto, los dispositivos fotónicos integrados son la dirección de desarrollo de muchos dispositivos pasivos de fibra óptica. Los dispositivos fotónicos integrados a veces también se denominan dispositivos pasivos ópticos planos. Dependiendo del tipo de sustrato, las guías de ondas ópticas van desde guías de ondas ópticas de niobio hasta guías de ondas de titanio recubiertas de litio, guías de ondas ópticas de sílice depositada sobre sustrato de silicio, guías de ondas InGaAsP/InP y guías de ondas de polímero (polímero).
La tecnología de guía de ondas ópticas de titanio recubierta de niobato de litio se desarrolló anteriormente. Su proceso principal es: primero, se deposita una película de titanio sobre el sustrato de niobato de litio mediante deposición por evaporación o deposición por pulverización catódica, y luego se utiliza fotolitografía para formarla. el patrón de guía de ondas ópticas requerido, que luego se difunde y se recubre con una capa protectora de dióxido de silicio para crear una guía de ondas óptica plana. La pérdida de esta guía de ondas es relativamente grande, generalmente de 0,2 a 0,5 dB/cm.
La tecnología de ondas de luz de sílice basada en silicio es una nueva tecnología desarrollada en la década de 1990 y está relativamente madura en el extranjero. Sus procesos de fabricación incluyen hidrólisis por llama (FHD), deposición química de vapor (CVD, desarrollado por NEC Company de Japón), método de CVD por plasma (desarrollado por Lucent Company de Estados Unidos), método de oxidación de silicio poroso y gel fundido (Sol-gel). ) esperar. Esta guía de onda y pérdida es muy pequeña, alrededor de 0,02 dB/cm. Los países extranjeros han desarrollado AWG de 60 y 132 canales utilizando este tipo de guía de ondas.
La investigación sobre guías de ondas ópticas InGaAsP/InP también está relativamente madura. Se pueden integrar con dispositivos fotónicos activos y pasivos basados en InP y circuitos microelectrónicos basados en InP en el mismo sustrato. de fibra de cuarzo El desajuste de campo y la pérdida de acoplamiento con la fibra óptica son grandes, pero esto se puede compensar introduciendo SOA en el bucle óptico. Las guías de ondas ópticas de polímeros han sido un tema de investigación candente en los últimos años. El coeficiente termoóptico y el coeficiente electroóptico de esta guía de ondas son relativamente grandes, lo que es muy adecuado para el desarrollo de interruptores de guía de ondas ópticas de alta velocidad, AWG, etc. La empresa alemana HHI desarrolló con éxito un AWG utilizando esta guía de ondas, con una deriva de longitud de onda de sólo 0,05 nm a 25-65 °C. El proceso de fabricación de dispositivos y guías de ondas poliméricos es sencillo, económico y tiene grandes perspectivas de desarrollo.
Los dispositivos pasivos fabricados actualmente con tecnología de guía de onda plana incluyen no solo acopladores de banda ancha, rejillas de matriz de guía de onda (AWG), conmutadores ópticos de matriz de puerto grande, sino también divisores de haz de interferencia multimodo y convertidores de estrella y longitud de onda. aisladores y atenuadores variables de cavidad F-JP micromecanizados de silicio, etc. Debido a que puede integrarse con dispositivos activos y circuitos microelectrónicos en el mismo sustrato o empaquetarse en la misma carcasa para formar un circuito óptico integrado híbrido, su futuro es ilimitado.