一種實(shí)用型光二分路器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙長(zhǎng)水

（陜西理工學(xué)院 物理系，陜西 漢中 723003）

1 引言

在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)中，光二分路器是一種常用的光分路器件，其分光比的設(shè)計(jì)通常有兩種方法[1-2]。第一種方法是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)兩路光纖實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)算求得[1-5]，即

第二種方法是直接給出一系列不同的特定值，做成規(guī)格化的系列產(chǎn)品供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際需要選用。第一種方法的優(yōu)點(diǎn)是，各路分光比與實(shí)際光纖長(zhǎng)度匹配效果好，能夠保證兩路光纖終端的光節(jié)點(diǎn)有相等的功率電平；缺點(diǎn)是光分路器需由生產(chǎn)廠家專門特制，成本造價(jià)很高，而且每個(gè)光分路器都是專用的，沒(méi)有互換性，不利于備用和維修。第二種方法的優(yōu)點(diǎn)是，分路器可以做成不同規(guī)格的系列化產(chǎn)品，生產(chǎn)成本低，便于備用和維修；缺點(diǎn)是分光比與各自實(shí)際光纖長(zhǎng)度匹配效果差一些，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者在選用光分路器時(shí)不方便。筆者給出一種新的方法，也是將光二分路器設(shè)計(jì)為規(guī)格化的系列產(chǎn)品，但分光比的設(shè)計(jì)不同于第二種方法，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者只需要根據(jù)兩路光纖長(zhǎng)度的差值，直接選用合適規(guī)格的光二分路器即可。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

目前光接收機(jī)輸入功率的動(dòng)態(tài)范圍都較寬，在保證系統(tǒng)載噪比與非線性失真質(zhì)量指標(biāo)滿足要求的前提下，輸入光功率可以在一定范圍內(nèi)變化[6-9]。對(duì)于光纖而言，由于長(zhǎng)度不同造成光損耗的差異，只要在一定的允許范圍內(nèi)是可以的。比如說(shuō)，某光接收機(jī)的輸入功率范圍是-6～+2 dBm，可取中值-2 dBm作為標(biāo)準(zhǔn)輸入功率電平，即Pr，b=-2 dBm，允許變化量可取為ΔPr=±0.2 dBm，正常輸入光功率表示為 Pr=Pr，b±ΔPr=（-2±0.2）dBm。 假定長(zhǎng)度為 Lb的光纖終端光功率電平為Pr，b=-2 dBm，引起光纖終端電平改變量為ΔPr=±0.2 dBm時(shí)的光纖長(zhǎng)度的改變量為Δl=ΔPr/α。對(duì)1310 nm光纖而言，光纖長(zhǎng)度改變量Δl1310=±0.5 km；對(duì)1550 nm光纖而言，光纖長(zhǎng)度改變量Δl1550=±0.8 km。

3 設(shè)計(jì)原理和方法

由式（1）可知，似乎分光比與各路光纖長(zhǎng)度有關(guān)，其實(shí)不然。比如對(duì)光二分路器由式（1）可得

將式（2）和式（3）稍作變換可得

式（4）和式（5）表明分光比與兩路光纖的絕對(duì)長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而是與兩路光纖長(zhǎng)度的差值有關(guān)。表1給出了一組光纖長(zhǎng)度差值為特定值時(shí)的分光比，其中，ΔL1310T和ΔL1550T分別表示1310 nm光纖及1550 nm光纖長(zhǎng)度差值的特定值；k1和 k2為兩路分光比；ΔL1310Q和 ΔL1550Q分別表示1310 nm光纖及1550 nm光纖長(zhǎng)度差值的適用范圍值；設(shè)定長(zhǎng)度差值ΔL=L2-L1≥0，所以k2≥k1。光二分路器的分光比可以按這組數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)，形成不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。工程實(shí)踐當(dāng)中，兩路光纖長(zhǎng)度的差值不可能正好為特定值，不同型號(hào)規(guī)格的光二分路器適用的光纖長(zhǎng)度差值范圍如表1所示。

表1 實(shí)用型光二分路器規(guī)格設(shè)計(jì)表

4 設(shè)計(jì)說(shuō)明

各種規(guī)格的光二分路器的兩路光纖長(zhǎng)度差的特定值與適用范圍值不是隨意給定的，特定值的大小、間隔和適用范圍值都是由光接收機(jī)輸入功率電平的允許變化量決定的。只有當(dāng)兩路光纖長(zhǎng)度的差值為特定值時(shí)，分光比才能與之完全匹配，到兩路光纖終端的信號(hào)電平才會(huì)相等，否則兩路光纖終端的信號(hào)電平不相等，這樣就存在一個(gè)兩路光纖長(zhǎng)度差值的允許范圍值，下面具體分析說(shuō)明。

對(duì)規(guī)格為F2-1的光二分路器，其分光比為k1=k2=50%，只有當(dāng)兩路光纖長(zhǎng)度相等，即ΔL=0時(shí)，到兩路光纖終端光節(jié)點(diǎn)的信號(hào)電平才會(huì)相等，設(shè)定為光接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)輸入功率電平 Pr，b（設(shè) L1=L2=Lb，Lb表示光纖終端信號(hào)電平為光接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)輸入電平時(shí)的光纖長(zhǎng)度，可稱為標(biāo)準(zhǔn)光纖長(zhǎng)度）。 如果 L1≠L2，假定 L2>Lb，L10。 當(dāng)較短光纖L1的長(zhǎng)度（最小值）對(duì)1310 nm光纖為L(zhǎng)1min-1310=Lb-0.5 km，對(duì)1550 nm光纖為L(zhǎng)1min-1550=Lb-0.8 km時(shí)，其終端信號(hào)電平達(dá)到光接收機(jī)正常輸入功率電平的最大值Pr，max=Pr，b+0.2 dBm；當(dāng)較長(zhǎng)光纖 L2的長(zhǎng)度（最大值）對(duì) 1310 nm光纖為L(zhǎng)2max-1310=Lb+0.5 km，對(duì)1550 nm光纖為L(zhǎng)2max-1550=Lb+0.8 km時(shí)，其終端信號(hào)電平達(dá)到光接收機(jī)正常輸入功率電平的最小值Pr，min=Pr，b-0.2 dBm。 就是說(shuō)，只要兩路光纖長(zhǎng)度的差值對(duì)1310nm光纖在0～1 km，對(duì)1550 nm光纖在0～1.6 km之間，使用型號(hào)規(guī)格為F2-1的光分路器都是合適的。

對(duì)規(guī)格為F2-2的光二分路器，其分光比為k1=38.7%，k2=61.3%，對(duì)1310 nm光纖只有當(dāng)ΔL1310T=2 km時(shí)，對(duì)1550 nm光纖只有當(dāng)ΔL1550T=3.2 km時(shí)，到兩路光纖終端光節(jié)點(diǎn)的信號(hào)電平才會(huì)相等，設(shè)定為光接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)輸入功率電平Pr，b。此時(shí)，較短光纖長(zhǎng)度記為L(zhǎng)1b，較長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度記為L(zhǎng)2b，皆稱為標(biāo)準(zhǔn)光纖長(zhǎng)度，其差值為特定值。對(duì)1310 nm光纖而言，L2b-L1b=2 km；對(duì)1550 nm光纖而言，L2b-L1b=3.2 km。如果兩路光纖長(zhǎng)度的差值ΔL不為特定值，這時(shí)有兩種情形：第一種情形是ΔL小于特定值，即對(duì)1310 nm光纖ΔL1310<2 km，對(duì)1550 nm光纖ΔL1550<3.2 km，這時(shí)只有當(dāng)較短光纖L1增大（L1>L1b），或者當(dāng)較長(zhǎng)光纖L2減小（L22 km，對(duì)1550 nm光纖ΔL1550>3.2 km，這時(shí)只有當(dāng)較短光纖L1減小（L1L2b）時(shí)，較短光纖L1的最小值對(duì)1310 nm光纖為L(zhǎng)1min-1310=L1b-0.5 km，對(duì)1550 nm光纖為L(zhǎng)1min-1550=L1b-0.8 km，較長(zhǎng)光纖L2的最大值對(duì)1310 nm光纖為L(zhǎng)2max-1310=L2b+0.5 km，對(duì)1550 nm光纖為L(zhǎng)2max-1550=L2b+0.8 km，于是兩路光纖長(zhǎng)度的最大差值對(duì)1310 nm光纖為ΔLmax-1310=L2max-1310-L1min-1310=3 km，對(duì)1550 nm光纖為ΔLmax-1550=L2max-1550-L1min-1550=4.8 km。所以，只要兩路光纖長(zhǎng)度的差值對(duì)1310 nm光纖范圍在1.5～3.0 km，對(duì)1550 nm光纖范圍在2.4～4.8 km，使用型號(hào)規(guī)格為F2-2的光二分路器都是合適的。

以此類推，對(duì)其他型號(hào)規(guī)格的光二分路器的選擇均可結(jié)合表1進(jìn)行分析。

5 應(yīng)用舉例

下面使用上述方法對(duì)2個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析。

1）實(shí)例一

兩路1310 nm光纖長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1-1310=7.2 km，L2-1310=15.8 km，試選擇合適規(guī)格的光二分路器，并確定其分光比。

兩路光纖長(zhǎng)度實(shí)際差值為ΔL1310=L2-1310-L1-1310=8.6 km，由表1中適用范圍查得型號(hào)規(guī)格為F2-5，兩路分光比分別為k1=32.4%和k2=67.6%。

2）實(shí)例二

兩路1550 nm光纖長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1-1550=12.5 km，L2-1550=33.6 km，試選擇合適規(guī)格的光二分路器，并確定其分光比。

兩路光纖長(zhǎng)度實(shí)際差值為ΔL1550=L2-1550-L1-1550=21.1 km，由表1中適用范圍查得型號(hào)規(guī)格為F2-8，兩路分光比分別為k1=21.6%，k2=78.4%。

6 小結(jié)

筆者給出的設(shè)計(jì)方法是引言中第二種方法的一種改進(jìn)，使分光比的特定值更具科學(xué)性與合理性。理論與實(shí)踐表明，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的光二分路器，其分光比既能滿足信號(hào)質(zhì)量要求，又便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況選用合適的光二分路器，很好地克服了引言中前兩種設(shè)計(jì)方法的缺陷。

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