一種實用型光二分路器的設計與應用

趙長水

（陜西理工學院 物理系，陜西 漢中 723003）

1 引言

在光纖傳輸網絡中，光二分路器是一種常用的光分路器件，其分光比的設計通常有兩種方法[1-2]。第一種方法是由網絡設計者根據兩路光纖實際長度計算求得[1-5]，即

第二種方法是直接給出一系列不同的特定值，做成規格化的系列產品供網絡設計者根據實際需要選用。第一種方法的優點是，各路分光比與實際光纖長度匹配效果好，能夠保證兩路光纖終端的光節點有相等的功率電平；缺點是光分路器需由生產廠家專門特制，成本造價很高，而且每個光分路器都是專用的，沒有互換性，不利于備用和維修。第二種方法的優點是，分路器可以做成不同規格的系列化產品，生產成本低，便于備用和維修；缺點是分光比與各自實際光纖長度匹配效果差一些，一個關鍵問題是網絡設計者在選用光分路器時不方便。筆者給出一種新的方法，也是將光二分路器設計為規格化的系列產品，但分光比的設計不同于第二種方法，網絡設計者只需要根據兩路光纖長度的差值，直接選用合適規格的光二分路器即可。

2 設計依據

目前光接收機輸入功率的動態范圍都較寬，在保證系統載噪比與非線性失真質量指標滿足要求的前提下，輸入光功率可以在一定范圍內變化[6-9]。對于光纖而言，由于長度不同造成光損耗的差異，只要在一定的允許范圍內是可以的。比如說，某光接收機的輸入功率范圍是-6～+2 dBm，可取中值-2 dBm作為標準輸入功率電平，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時的光纖長度的改變量為Δl=ΔPr/α。對1310 nm光纖而言，光纖長度改變量Δl1310=±0.5 km；對1550 nm光纖而言，光纖長度改變量Δl1550=±0.8 km。

3 設計原理和方法

由式（1）可知，似乎分光比與各路光纖長度有關，其實不然。比如對光二分路器由式（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長度無關，而是與兩路光纖長度的差值有關。表1給出了一組光纖長度差值為特定值時的分光比，其中，ΔL1310T和ΔL1550T分別表示1310 nm光纖及1550 nm光纖長度差值的特定值；k1和 k2為兩路分光比；ΔL1310Q和 ΔL1550Q分別表示1310 nm光纖及1550 nm光纖長度差值的適用范圍值；設定長度差值ΔL=L2-L1≥0，所以k2≥k1。光二分路器的分光比可以按這組數據來設計，形成不同規格的系列產品。工程實踐當中，兩路光纖長度的差值不可能正好為特定值，不同型號規格的光二分路器適用的光纖長度差值范圍如表1所示。

表1 實用型光二分路器規格設計表

4 設計說明

各種規格的光二分路器的兩路光纖長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輸入功率電平的允許變化量決定的。只有當兩路光纖長度的差值為特定值時，分光比才能與之完全匹配，到兩路光纖終端的信號電平才會相等，否則兩路光纖終端的信號電平不相等，這樣就存在一個兩路光纖長度差值的允許范圍值，下面具體分析說明。

對規格為F2-1的光二分路器，其分光比為k1=k2=50%，只有當兩路光纖長度相等，即ΔL=0時，到兩路光纖終端光節點的信號電平才會相等，設定為光接收機的標準輸入功率電平 Pr，b（設 L1=L2=Lb，Lb表示光纖終端信號電平為光接收機標準輸入電平時的光纖長度，可稱為標準光纖長度）。 如果 L1≠L2，假定 L2>Lb，L10。 當較短光纖L1的長度（最小值）對1310 nm光纖為L1min-1310=Lb-0.5 km，對1550 nm光纖為L1min-1550=Lb-0.8 km時，其終端信號電平達到光接收機正常輸入功率電平的最大值Pr，max=Pr，b+0.2 dBm；當較長光纖 L2的長度（最大值）對 1310 nm光纖為L2max-1310=Lb+0.5 km，對1550 nm光纖為L2max-1550=Lb+0.8 km時，其終端信號電平達到光接收機正常輸入功率電平的最小值Pr，min=Pr，b-0.2 dBm。 就是說，只要兩路光纖長度的差值對1310nm光纖在0～1 km，對1550 nm光纖在0～1.6 km之間，使用型號規格為F2-1的光分路器都是合適的。

對規格為F2-2的光二分路器，其分光比為k1=38.7%，k2=61.3%，對1310 nm光纖只有當ΔL1310T=2 km時，對1550 nm光纖只有當ΔL1550T=3.2 km時，到兩路光纖終端光節點的信號電平才會相等，設定為光接收機的標準輸入功率電平Pr，b。此時，較短光纖長度記為L1b，較長光纖長度記為L2b，皆稱為標準光纖長度，其差值為特定值。對1310 nm光纖而言，L2b-L1b=2 km；對1550 nm光纖而言，L2b-L1b=3.2 km。如果兩路光纖長度的差值ΔL不為特定值，這時有兩種情形：第一種情形是ΔL小于特定值，即對1310 nm光纖ΔL1310<2 km，對1550 nm光纖ΔL1550<3.2 km，這時只有當較短光纖L1增大（L1>L1b），或者當較長光纖L2減小（L22 km，對1550 nm光纖ΔL1550>3.2 km，這時只有當較短光纖L1減小（L1L2b）時，較短光纖L1的最小值對1310 nm光纖為L1min-1310=L1b-0.5 km，對1550 nm光纖為L1min-1550=L1b-0.8 km，較長光纖L2的最大值對1310 nm光纖為L2max-1310=L2b+0.5 km，對1550 nm光纖為L2max-1550=L2b+0.8 km，于是兩路光纖長度的最大差值對1310 nm光纖為ΔLmax-1310=L2max-1310-L1min-1310=3 km，對1550 nm光纖為ΔLmax-1550=L2max-1550-L1min-1550=4.8 km。所以，只要兩路光纖長度的差值對1310 nm光纖范圍在1.5～3.0 km，對1550 nm光纖范圍在2.4～4.8 km，使用型號規格為F2-2的光二分路器都是合適的。

以此類推，對其他型號規格的光二分路器的選擇均可結合表1進行分析。

5 應用舉例

下面使用上述方法對2個實例進行分析。

1）實例一

兩路1310 nm光纖長度分別為L1-1310=7.2 km，L2-1310=15.8 km，試選擇合適規格的光二分路器，并確定其分光比。

兩路光纖長度實際差值為ΔL1310=L2-1310-L1-1310=8.6 km，由表1中適用范圍查得型號規格為F2-5，兩路分光比分別為k1=32.4%和k2=67.6%。

2）實例二

兩路1550 nm光纖長度分別為L1-1550=12.5 km，L2-1550=33.6 km，試選擇合適規格的光二分路器，并確定其分光比。

兩路光纖長度實際差值為ΔL1550=L2-1550-L1-1550=21.1 km，由表1中適用范圍查得型號規格為F2-8，兩路分光比分別為k1=21.6%，k2=78.4%。

6 小結

筆者給出的設計方法是引言中第二種方法的一種改進，使分光比的特定值更具科學性與合理性。理論與實踐表明，這樣設計出來的光二分路器，其分光比既能滿足信號質量要求，又便于網絡設計者根據實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計方法的缺陷。

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