光二分路器規(guī)格參數(shù)值遞變特性的分析與研究*

趙長水

(陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中723003)

對規(guī)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(guī)格型光二分路器有十個規(guī)格型號［1-6］，其分光比低端規(guī)格值(標(biāo)準(zhǔn)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(guī)格值由低到高對應(yīng)依次為 50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%和95%。可見，無論哪一端，相鄰規(guī)格值均相差5%，即規(guī)格值的間隔相同，或者說不同規(guī)格型號的光二分路器的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值是均勻分布的。在選擇規(guī)格型號時，網(wǎng)絡(luò)所需分光比的設(shè)計值與規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值允許偏差也均為±2.5%。就是說，每種規(guī)格的分光比適用范圍的寬度(稱帶寬)均為5%。經(jīng)過分析和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，這種分光比規(guī)格值(標(biāo)準(zhǔn)值)間隔均等和帶寬相同的簡單規(guī)格結(jié)構(gòu)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(guī)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(guī)格型光二分路器的原因所在。這說明分光比規(guī)格值不能均勻分布，因為對不同規(guī)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(guī)格值及其適用范圍(即分光比相對規(guī)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(jié)點信號電平的變化量在相同的允許范圍內(nèi);其二是在設(shè)計規(guī)格構(gòu)成體系和確定參數(shù)值及其分布時，應(yīng)當(dāng)使相鄰規(guī)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(jié)果表明，光二分路器分光比規(guī)格參數(shù)值呈現(xiàn)非均勻遞變。下面就來研究分光比規(guī)格值和帶寬參數(shù)值的遞變特性。

1 分光比規(guī)格參數(shù)及其關(guān)系

光二分路器的規(guī)格技術(shù)參數(shù)有①分光比規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)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(jié)點信號電平最大允許改變量。本文要研究的是，分光比規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值和帶寬參數(shù)值的變化特性。為此，首先需要知道分光比規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值(可簡稱規(guī)格值)、最大值、最小值、帶寬、光節(jié)點信號電平最大允許改變量之間的關(guān)系。下面就來進行分析，首先要說明一點，分析表明，在設(shè)計規(guī)格和確定參數(shù)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(shè)K和F分別為光二分路器分光比低端規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值與相應(yīng)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(yīng)Kmax時的最小分光損耗，F(xiàn)max為對應(yīng)Kmin時的最大分光損耗，則有F=-10lgK，F(xiàn)min=-10lgKmax，F(xiàn)max=-10lgKmin設(shè)ΔP為光節(jié)點信號電平最大允許改變量，則應(yīng)有Fmax-F=F-Fmin=|ΔP|

由此可以得到如下數(shù)學(xué)關(guān)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(guī)格值K和光節(jié)點信號電平最大允許改變量ΔP有關(guān)。因此說，對不同規(guī)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(guī)格值的分布是不均勻的。設(shè)計規(guī)格表時，需先確定ΔP，ΔP不同則所有規(guī)格參數(shù)值及其分布不同，ΔP越小，則帶寬B越窄，規(guī)格型號的數(shù)量就越多，適應(yīng)性也越強。

2 規(guī)格值的幅值特性

規(guī)格值的幅值特性是指規(guī)格值大小的變化特性。在常見的規(guī)格型光二分路器中，規(guī)格值的大小是按5%均勻遞變的，但分析已經(jīng)表明，規(guī)格值大小的變化應(yīng)該是不均勻的。那么，相鄰規(guī)格值或者說不同規(guī)格值的幅值大小有何關(guān)系，即它們的幅值特性是什么，下面就來進行分析。規(guī)格設(shè)計時，分光比參數(shù)值(指規(guī)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(shè)K1、K1-min、K1-max分別為第1個規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)值、最小值、最大值。同理設(shè)K2、K2-min、K2-max分別為第 2 個規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)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(guī)格值與前一個規(guī)格值、與第1個規(guī)格值的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)

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

表1 ΔP=±0.2 dBm、K=50% ～5%時的規(guī)格值數(shù)據(jù)表

圖1 分光比低端規(guī)格值幅值特性圖

3 規(guī)格值的疏密特性

規(guī)格值的疏密特性是指規(guī)格值間隔的變化特性。在常見的規(guī)格型光二分路器中，各規(guī)格值是均勻分布的，但事實上，規(guī)格值分布是不均勻的，即相鄰規(guī)格值的間隔是不等的。那么，相鄰規(guī)格值的間隔大小有什么變化特點，或者說規(guī)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(guī)格值間距(減小量)數(shù)學(xué)計算式如下:

如此類推

可以發(fā)現(xiàn)

即相鄰規(guī)格值的間隔也均按比例系數(shù)10-|ΔP|/5減小，或者說衰減系數(shù)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(guī)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(guī)格值的每相鄰兩個規(guī)格值間隔如表2所示(25個間隔值與表1中相鄰規(guī)格值之差結(jié)果相同)。間隔值的的衰減特性圖，即規(guī)格值的疏密特性圖如圖2所示。規(guī)格值有疏變密，即間隔由大變下時，衰減系數(shù)均為0.088。

表2 ΔP=±0.2 dBm，K=50% ～5%時的規(guī)格值間隔數(shù)據(jù)表

圖2 分光比低端規(guī)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(guī)格值的分光比帶寬的變化特性。在常見的規(guī)格型光二分路器中，各規(guī)格值的分光比帶寬是相同的，但事實上，各規(guī)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(guī)格值成正比，規(guī)格值越大，則帶寬越寬;反之，規(guī)格值越小，則帶寬越窄。下面就來分析不同規(guī)格值的分光比帶寬變化特性。由式(3)可得，各個規(guī)格的分光比帶寬數(shù)學(xué)計算式如下:

如此類推

可以發(fā)現(xiàn)

即帶寬變窄系數(shù)也均為10 ，或者說衰減系數(shù)均為1-10-|ΔP|/5。由ΔP和K1通過式(21)可以求得任何一個規(guī)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(guī)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(shù)均為0.088。

表3 ΔP=±0.2 dBm、K=50% ～5%時的分光比帶寬數(shù)據(jù)表

圖3 分光比低端帶寬遞變特性圖

5 結(jié)論

通過對光二分路器規(guī)格參數(shù)值變化特性的分析與研究，得出如下結(jié)論:

(1)由式(8)可知，對規(guī)格型光二分路器，在規(guī)定的規(guī)格值區(qū)間，比如在分光比低端，規(guī)格值從50%到5%，規(guī)格值的數(shù)目完全由光節(jié)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(dāng)|ΔP|＞0.2 dBm 時，規(guī)格值的數(shù)目小于26，反之，當(dāng)|ΔP|＜0.2 dBm 時，規(guī)格值數(shù)目大于26。

(2)由式(9)可知，當(dāng)光節(jié)點信號電平最大允許改變量ΔP確定后，任一個規(guī)格值的與前一個規(guī)格值的比值均為常數(shù)值10-|ΔP|/5。也就是說，在分光比低端，規(guī)格值從大到小按相同的衰減系數(shù)1-10-|ΔP|/5依次減小。比如ΔP=±0.2 dBm時，從50%到5%的26個規(guī)格值按相同衰減系數(shù)0.088依次減小。如圖1光二分路器規(guī)格值的幅值特性所示。然而，在常見規(guī)格構(gòu)成體系中，分光比低端從50%到5%的10個規(guī)格值幅值大小按5%等量均勻遞減，但相鄰規(guī)格值的衰減系數(shù)卻是按1/10、1/9、1/8…1/2依次由小變大，或者說規(guī)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(guī)格值從大到小，其相鄰規(guī)格值的間隔按相同衰減系數(shù)1-10-|ΔP|/5依次減小。比如 ΔP= ±0.2 dBm 時，從50%到5%的26個規(guī)格值，其相鄰規(guī)格值的25個間隔按相同衰減系數(shù)0.088依次減小。就是說，各規(guī)格值是由疏到密非均勻的分布。如圖2光二分路器規(guī)格值疏密特性所示。可是，在常見規(guī)格構(gòu)成體系中，從50%到5%的10個規(guī)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(guī)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(shù)1-10-|ΔP|/5依次變窄。比如ΔP=±0.2dBm時，從50%到5%的26個規(guī)格值，其分光比帶寬按相同衰減系數(shù)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(guī)格構(gòu)成體系中，每個規(guī)格值的帶寬是相等的。

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

圖4 分光比低端規(guī)格值遞變特性圖

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

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