光二分路器規格參數值遞變特性的分析與研究*

趙長水

(陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西漢中723003)

對規格型光二分路器，分光比小于50%的一端稱分光比低端，分光比大于50%的一端稱分光比高端。常見的規格型光二分路器有十個規格型號［1-6］，其分光比低端規格值(標準值)由高到低依次為 50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%和5%;分光比高端規格值由低到高對應依次為 50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%和95%。可見，無論哪一端，相鄰規格值均相差5%，即規格值的間隔相同，或者說不同規格型號的光二分路器的規格標準值是均勻分布的。在選擇規格型號時，網絡所需分光比的設計值與規格標準值允許偏差也均為±2.5%。就是說，每種規格的分光比適用范圍的寬度(稱帶寬)均為5%。經過分析和應用發現，這種分光比規格值(標準值)間隔均等和帶寬相同的簡單規格結構體系存在明顯的問題［7-8］，有時根本無法滿足實際需要，也就是找不到符合要求的規格型號。這也正是實際中普遍使用特制型光二分路器，而很少使用這種規格型光二分路器的原因所在。這說明分光比規格值不能均勻分布，因為對不同規格值，允許分光比偏差的大小，或者說帶寬是不同的。其理由有二，其一是每個分光比規格值及其適用范圍(即分光比相對規格值允許偏差的范圍)的確定都必須滿足一個條件，就是由分光比偏差引起的光節點信號電平的變化量在相同的允許范圍內;其二是在設計規格構成體系和確定參數值及其分布時，應當使相鄰規格的分光比覆蓋范圍相互銜接，既不能有斷帶，但也不能有交錯重疊。基于上述兩點，結果表明，光二分路器分光比規格參數值呈現非均勻遞變。下面就來研究分光比規格值和帶寬參數值的遞變特性。

1 分光比規格參數及其關系

光二分路器的規格技術參數有①分光比規格標準值;②分光比最大值;③分光比最小值;④分光比帶寬;⑤分光比上邊帶;⑥分光比下邊帶;⑦上下邊帶差;⑧光節點信號電平最大允許改變量。本文要研究的是，分光比規格標準值和帶寬參數值的變化特性。為此，首先需要知道分光比規格標準值(可簡稱規格值)、最大值、最小值、帶寬、光節點信號電平最大允許改變量之間的關系。下面就來進行分析，首先要說明一點，分析表明，在設計規格和確定參數時，只需考慮分光比低端，高端完全由低端確定，只要低端滿足要求，高端就必然滿足要求［7-8］。

所以，下面只分析分光比低端情況。設K和F分別為光二分路器分光比低端規格標準值與相應的分光損耗，Kmax和Kmin分別為相對K所允許的最大分光比與最小分光比，即分光比適用范圍的最大值和最小值。Fmin為對應Kmax時的最小分光損耗，Fmax為對應Kmin時的最大分光損耗，則有F=-10lgK，Fmin=-10lgKmax，Fmax=-10lgKmin設ΔP為光節點信號電平最大允許改變量，則應有Fmax-F=F-Fmin=|ΔP|

由此可以得到如下數學關系式:

分光比帶寬

由式(1)～式(3)可知，分光比適用范圍的最大值Kmax、最小值Kmin、帶寬B都與規格值K和光節點信號電平最大允許改變量ΔP有關。因此說，對不同規格值，允許的分光比偏差范圍和帶寬是不同的，換言之，分光比規格值的分布是不均勻的。設計規格表時，需先確定ΔP，ΔP不同則所有規格參數值及其分布不同，ΔP越小，則帶寬B越窄，規格型號的數量就越多，適應性也越強。

2 規格值的幅值特性

規格值的幅值特性是指規格值大小的變化特性。在常見的規格型光二分路器中，規格值的大小是按5%均勻遞變的，但分析已經表明，規格值大小的變化應該是不均勻的。那么，相鄰規格值或者說不同規格值的幅值大小有何關系，即它們的幅值特性是什么，下面就來進行分析。規格設計時，分光比參數值(指規格值、最大值、最小值)的確定從分光比低端由大到小順序進行。設K1、K1-min、K1-max分別為第1個規格的標準值、最小值、最大值。同理設K2、K2-min、K2-max分別為第 2 個規格的標準值、最小值、最大值。依此類推。

令K1-min=K2-max，由式(1)和式(2)有

式(4)～式(8)清楚地展示了每一個規格值與前一個規格值、與第1個規格值的關系。可以發現

即相鄰規格值減小時的比例系數均為10-|ΔP|/5，亦即衰減系數均為1-10-|ΔP|/5。由式(8)可知，第n個規格值相對第1個規格值的比例系數為10-(n-1)|ΔP|/5。當ΔP和K1確定后，可由式(8)計算出其它所有規格值。若ΔP=±0.2 dBm，取K1=50%，則分光比低端規格值K從50%～5%共有26個規格，各規格值如表1所示。其幅值特性圖如圖1所示。相鄰規格值的衰減系數均為1-0.912=0.088。

表1 ΔP=±0.2 dBm、K=50% ～5%時的規格值數據表

圖1 分光比低端規格值幅值特性圖

3 規格值的疏密特性

規格值的疏密特性是指規格值間隔的變化特性。在常見的規格型光二分路器中，各規格值是均勻分布的，但事實上，規格值分布是不均勻的，即相鄰規格值的間隔是不等的。那么，相鄰規格值的間隔大小有什么變化特點，或者說規格值的疏密特性是什么，下面就來進行分析。由式(4)～式(8)可以得到，分光比低端相鄰規格值間距(減小量)數學計算式如下:

如此類推

可以發現

即相鄰規格值的間隔也均按比例系數10-|ΔP|/5減小，或者說衰減系數均為 1-10-|ΔP|/5。由ΔP和K1通過式(14)可以求得任何兩個相鄰規格值的間隔大小。若 ΔP=±0.2 dBm，取K1=50%，由式(14)可求得表1中26個規格值的每相鄰兩個規格值間隔如表2所示(25個間隔值與表1中相鄰規格值之差結果相同)。間隔值的的衰減特性圖，即規格值的疏密特性圖如圖2所示。規格值有疏變密，即間隔由大變下時，衰減系數均為0.088。

表2 ΔP=±0.2 dBm，K=50% ～5%時的規格值間隔數據表

圖2 分光比低端規格值疏密特性圖

4 分光比帶寬特性

分光比帶寬特性是指不同規格值的分光比帶寬的變化特性。在常見的規格型光二分路器中，各規格值的分光比帶寬是相同的，但事實上，各規格值的分光比帶寬是不同的。由式(3)可知，在分光比低端，分光比帶寬與規格值成正比，規格值越大，則帶寬越寬;反之，規格值越小，則帶寬越窄。下面就來分析不同規格值的分光比帶寬變化特性。由式(3)可得，各個規格的分光比帶寬數學計算式如下:

如此類推

可以發現

即帶寬變窄系數也均為10 ，或者說衰減系數均為1-10-|ΔP|/5。由ΔP和K1通過式(21)可以求得任何一個規格的分光比帶寬。若ΔP=±0.2 dBm，取K1由式(21)可求得表1中26個規格的帶寬如表3所示。帶寬變化特性圖如圖3所示。帶寬由寬變窄時的衰減系數均為0.088。

表3 ΔP=±0.2 dBm、K=50% ～5%時的分光比帶寬數據表

圖3 分光比低端帶寬遞變特性圖

5 結論

通過對光二分路器規格參數值變化特性的分析與研究，得出如下結論:

(1)由式(8)可知，對規格型光二分路器，在規定的規格值區間，比如在分光比低端，規格值從50%到5%，規格值的數目完全由光節點信號電平最大允許改變量ΔP決定，其計算公式為:n=5/|ΔP|+1，比如ΔP=±0.2 dBm 時，n=26，當|ΔP|＞0.2 dBm 時，規格值的數目小于26，反之，當|ΔP|＜0.2 dBm 時，規格值數目大于26。

(2)由式(9)可知，當光節點信號電平最大允許改變量ΔP確定后，任一個規格值的與前一個規格值的比值均為常數值10-|ΔP|/5。也就是說，在分光比低端，規格值從大到小按相同的衰減系數1-10-|ΔP|/5依次減小。比如ΔP=±0.2 dBm時，從50%到5%的26個規格值按相同衰減系數0.088依次減小。如圖1光二分路器規格值的幅值特性所示。然而，在常見規格構成體系中，分光比低端從50%到5%的10個規格值幅值大小按5%等量均勻遞減，但相鄰規格值的衰減系數卻是按1/10、1/9、1/8…1/2依次由小變大，或者說規格值的相對衰減率由慢變快。

(3)由式(15)可知，在分光比低端，規格值從大到小，其相鄰規格值的間隔按相同衰減系數1-10-|ΔP|/5依次減小。比如 ΔP= ±0.2 dBm 時，從50%到5%的26個規格值，其相鄰規格值的25個間隔按相同衰減系數0.088依次減小。就是說，各規格值是由疏到密非均勻的分布。如圖2光二分路器規格值疏密特性所示。可是，在常見規格構成體系中，從50%到5%的10個規格值是按5%等間隔均勻分布的。

(4)由式(2)可知，在分光比低端，規格值從大到小，分光比允許偏差的范圍，或者說分光比適用范圍的帶寬，按相同衰減系數1-10-|ΔP|/5依次變窄。比如ΔP=±0.2dBm時，從50%到5%的26個規格值，其分光比帶寬按相同衰減系數0.088依次變窄。如圖3光二分路器分光比帶寬特性所示。但在常見規格構成體系中，每個規格值的帶寬是相等的。

(5)圖1所示規格值的幅值特性與圖2所示規格值的疏密特性可以用圖4一個圖來更為直觀的表現出來。

圖4 分光比低端規格值遞變特性圖

橫軸反映不同規格值的分布情況，分光比低端從50%到5%的26個規格值，從大到小，其分布依次由疏變密，即從5%到50%，26個規格值分布依次由密變疏。縱軸則反映不同規格值的大小關系，分光比低端從50%到5%的26個規格值，其大小幅值依次同比減小，即從5%到50%，規格值依次同比增大。

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