多路光信号功率分配与设计新方法

赵长水

(陕西理工学院物理与电信工程学院,陕西 汉中 723003)

1 引 言

在光网络的构建与设计中,需要通过光分路器将光信号功率合理的分配给不同的光路。为了保证到每个光节点的信号电平相等,通常是根据各光路实际损耗情况,计算出各光路所需的分光比,然后由制造商特制生产专用的光分路器[1-4],其最大缺点是成本造价高,又没有通用性[5-6]。事实上,由于各种偏差,各光节点实际电平是不可能相等的[7],只能说尽可能地相近一些。鉴于目前光接收机输入功率电平的动态范围比较宽[8-9],没有必要要求各光节点信号电平绝对相等,而且也做不到,各光节点电平只要在一定的允许范围内就行。因此,有必要将光分路器做成不同型号和规格的产品。但是,光分路器的规格化不是一件简单的事情,光二分路器的规格化相对容易一些,而多路分光器由于情况复杂很难进行规格化设计,尽管之前笔者提出将光分路器按光均分器和光阶分器两种类型进行规格化[5-6],但在实际网络构建与设计时,如何选择并合理搭配不同型号和规格的光分路器件,需要一定的智慧和技巧,使用起来有相当的难度,有时往往很难如愿以偿。为此,本文提出一种基于规格化光二分路器的多路分光比的设计理念和思路。也就是说,光分路器只对二分路器进行规格化,其规格的细化程度尽可能高一些,换言之,就是规格型号多一些。而多路分光器不做规格化,实际应用中,可以由各种规格的光二分路器组合而成。本文所说的规格型光二分路器,不是常规体系中的光二分路器,而是一种新的规格体系。事实证明,和通常惯用的特制型光分路器分配相比,这种基于新的规格型光二分路器的多路信号光功率分配方法,具有如下三个明显的优点:首先没有专用器件的特制费用,而规格型器件价格很低,所以大大地降低了网络成本造价;其次是规格型器件具有通用性,便与维修和备份;第三,采用新的规格型光二分路器组合形式,很容易实现多路光信号功率分配,更重要的是能确保每个光节点电平的变化都在相同的允许范围内,这是采用一般规格型光二分路器无法实现的。

2 光二分路器规格体系

光二分路器的规格体系至关重要,通常直接按分光比等量递变划定规格型号的体系存在一定的问题,因此提出了按分光比非等量递变划定规格型号,并给出了一种新的光二分路器规格体系。这种规格体系不是以分光比为直接参量,而是以两路光纤长度的差值为直接参量来划定规格型号[10]。选择规格型号时不用计算实际所需分光比,直接按两路光纤长度差值选择合适的规格型号,非常实用和方便,其分光比只是一个间接参量。在这种体系的规格表中,相邻规格型号的直接参量与间接参量都不是等量均匀递变的,不同规格型号的适用范围和带宽都不相同,正是这些不同,才保证了光节点电平都能在相同的允许范围内。表1就是按照这种规格体系设计出来的一种规格表,光节点电平允许变化量为ΔP=±0.2 dB,该值越小,则规格表的细化程度越高,规格型号也就越多。ΔL1310g和ΔL1310～分别表示1 310 nm波长的两路光纤长度差值的规格值与适用范围值,ΔL1550g和 Δ L1550～分别表示1550 nm波长的两路光纤长度差值的规格值与适用范围值,都是直接参量。K1和K2分别表示两路分光比规格值,是间接参量,通常可以不去关心它。K2≥K1,即K1和K2分别为分光比低端和高端规格值。LF2-1310和LF2-1550分别表示较长光纤L2(设定L2为较长光纤,L1为较短光纤,即 Δ L=L2-L1≥0)在1 310 nm和1 550 nm波长时,分光损耗所等效的光纤长度。

表1 一种新的光二分路器规格表ΔP=±0.2 dBTable 1A new specification table of two-output optical distributor ΔP=±0.2 dB

续表

3 多路光功率分配

下面利用表1并通过具体实例介绍如何用不同规格型号的光二分路器的组合来完成多路光功率的分配。

3.1 三路组合结构

已知1 310 nm波长三路光纤长度分别为L1=3.6 km,L2=9.2 km,L3=22.8 km。组合设计方案可以有3种,分述如下。

方案一:由光节点1和2(即光路 L1和 L2)组成第一光二分路器单元A,再和节点3(即光路L3)组成第二光二分路器单元B,如图1所示。

图1 三路组合设计图1Fig.1 Three-way design plan 1

(1)确定单元A规格型号

ΔL2-1=L2-L1=5.6 km,由表1单元A应选F2-3,则K1=37.9%,K2=62.1%。

(2)求a点后等效光纤长度La

由表1分光损耗F2=-lgk2等效的光纤长度为LF2=5.178 km,则 La=L2+LF2=14.378 km。

(3)确定单元B规格型号

ΔL3-a=L3-La=8.422 km,由表1单元 B 应选F2-5,则Ka=31.5%,K3=68.5%。

方案二:由光节点2和3组成第一光二分路器单元A,再和节点1组成第二光二分路器单元B,如图2所示。

图2 三路组合设计图2Fig.2 Three-way design plan 2

(1)确定单元A规格型号

ΔL3-2=L3-L2=13.6 km,由表1单元 A应选F2-9,则 K2=21.8%,K3=78.2%。

(2)求a点后等效光纤长度La

由表1分光损耗F3=-lgk3等效的光纤长度为LF3=2.673 km,则 La=L3+LF3=25.473 km。

(3)确定单元B规格型号

ΔLa-1=La-L1=21.873 km,由表 1单元 B应选 F2-16,则 K1=11.4%,Ka=88.6%。

方案三:由光节点1和3组成第一光二分路器单元A,再和节点2组成第二光二分路器单元B,如图3所示。

图3 三路组合设计图3Fig.2 Three-way design plan 3

(1)确定单元A规格型号

ΔL3-1=L3-L1=19.2 km,由表1单元 A应选F2-13,则K1=15.1%,K3=84.9%。

(2)求a点后等效光纤长度La

由表1分光损耗F3=-lgk3等效的光纤长度为LF3=1.777 km,则 La=L3+LF3=24.577 km。

(3)确定单元B规格型号

ΔLa-2=La-L2=15.377 km,由表1单元B应选F2-10,K2=19.9%,Ka=80.1%。

3.2 四路组合结构

已知1 550 nm波长四路光纤长度分别为L1=6.8 km,L2=10.5 km,L3=18.2 km,L4=127.6 km。可以有多种组合结构设计方案,图4和图5是其中两种组合结构,分述如下。

方案一:由光节点1和2组成第一光二分路器单元A,光节点3和4组成第二光二分路器单元B,再由单元A和单元B构成第三光二分路器单元C,如图4所示。

图4 四路组合设计图1Fig.4 Four-way design plan 1

(1)确定单元A规格型号

ΔL2-1=L2-L1=3.7 km,由表1单元A应选F2-1,则K1=45.6%,K2=54.4%。

(2)确定单元B规格型号

ΔL4-3=L4-L3=9.4 km,由表 1单元 B应选F2-3,则K3=37.9%,K4=62.1%。

(3)求a点后等效光纤长度La

由表1分光损耗F2=-lgk2等效的光纤长度为LF2=10.576 km,则La=L2+LF2=21.076 km。

(4)求b点后等效光纤长度Lb

由表1分光损耗F4=-lgk4等效的光纤长度为LF4=8.284 km,则 Lb=L4+LF4=35.884 km。

(5)确定单元C规格型号

ΔLb-a=Lb-La=14.808 km,由表 1单元 C 应选F2-6,则Ka=28.8%,Kb=71.2%。

方案二:由光节点1和2组成一单元A,再和光节点3组成二单元B,然后再和光节点4构成三单元 C,如图5所示。

图5 四路组合设计图2Fig.5 Four-way design plan 2

(1)确定单元A规格型号

ΔL2-1=L2-L1=3.7 km,单元 A应选F2-1,则K1=45.6%,K2=54.4%。

(2)求a点后等效光纤长度La

由表1分光损耗F2=-lgk2等效的光纤长度为LF2=10.576 km,则 La=L2+LF2=21.076 km。

(3)确定单元B规格型号

ΔLa-3=La-L3=2.876 km,单元B应选F2-1,则K3=45.6%,Ka=54.4%。

(4)求b点后等效光纤长度Lb

由表1分光损耗Fa=-lgka等效的光纤长度为LFa=10.576 km,则Lb=La+LFa=31.652 km。

(5)确定单元C规格型号

ΔLb-4=Lb-L4=4.052 km,单元C应选F2-1,则K4=45.6%,Kb=54.4%。

3.3 五路以上组合结构

五路以上的组合结构形式更多,基本组合结构形式如图6所示。各光二分路器单元的规格型号的确定方法与上述相同,不再赘述。

图6 五路组合设计图Fig.6 Five-way design plan

4 结束语

本文研究了基于一种新的规格型光二分路器的多路光信号功率的分配方法,解决了用普通的规格型光二分路器无法实现任意多路光功率分配的问题,克服了常规分配法器件成本造价昂贵且无通用性的缺点。该方法适用于任何多路情况,光路数目越多组合形式也越多,这种光功率分配灵活多样,简单易行,容易实现。这种光功率分配要求光二分路器的规格尽可能分得细一些,型号尽量多一些,其实就是要求光节点电平允许该变量小一些,这样功率分配的效果会更趋于合理一些。之前对光二分路器的规格化做了较为深入细致的研究,为本文做好了铺垫,本文是以前工作的延伸和推进。

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