光二分路器规格参数值递变特性的分析与研究*

2013-12-30赵长水

电子器件 2013年2期

赵长水

(陕西理工学院物理与电信工程学院，陕西汉中723003)

对规格型光二分路器，分光比小于50%的一端称分光比低端，分光比大于50%的一端称分光比高端。常见的规格型光二分路器有十个规格型号［1-6］，其分光比低端规格值(标准值)由高到低依次为 50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%和5%;分光比高端规格值由低到高对应依次为 50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%和95%。可见，无论哪一端，相邻规格值均相差5%，即规格值的间隔相同，或者说不同规格型号的光二分路器的规格标准值是均匀分布的。在选择规格型号时，网络所需分光比的设计值与规格标准值允许偏差也均为±2.5%。就是说，每种规格的分光比适用范围的宽度(称带宽)均为5%。经过分析和应用发现，这种分光比规格值(标准值)间隔均等和带宽相同的简单规格结构体系存在明显的问题［7-8］，有时根本无法满足实际需要，也就是找不到符合要求的规格型号。这也正是实际中普遍使用特制型光二分路器，而很少使用这种规格型光二分路器的原因所在。这说明分光比规格值不能均匀分布，因为对不同规格值，允许分光比偏差的大小，或者说带宽是不同的。其理由有二，其一是每个分光比规格值及其适用范围(即分光比相对规格值允许偏差的范围)的确定都必须满足一个条件，就是由分光比偏差引起的光节点信号电平的变化量在相同的允许范围内;其二是在设计规格构成体系和确定参数值及其分布时，应当使相邻规格的分光比覆盖范围相互衔接，既不能有断带，但也不能有交错重叠。基于上述两点，结果表明，光二分路器分光比规格参数值呈现非均匀递变。下面就来研究分光比规格值和带宽参数值的递变特性。

1 分光比规格参数及其关系

光二分路器的规格技术参数有①分光比规格标准值;②分光比最大值;③分光比最小值;④分光比带宽;⑤分光比上边带;⑥分光比下边带;⑦上下边带差;⑧光节点信号电平最大允许改变量。本文要研究的是，分光比规格标准值和带宽参数值的变化特性。为此，首先需要知道分光比规格标准值(可简称规格值)、最大值、最小值、带宽、光节点信号电平最大允许改变量之间的关系。下面就来进行分析，首先要说明一点，分析表明，在设计规格和确定参数时，只需考虑分光比低端，高端完全由低端确定，只要低端满足要求，高端就必然满足要求［7-8］。

所以，下面只分析分光比低端情况。设K和F分别为光二分路器分光比低端规格标准值与相应的分光损耗，Kmax和Kmin分别为相对K所允许的最大分光比与最小分光比，即分光比适用范围的最大值和最小值。Fmin为对应Kmax时的最小分光损耗，Fmax为对应Kmin时的最大分光损耗，则有F=-10lgK，Fmin=-10lgKmax，Fmax=-10lgKmin设ΔP为光节点信号电平最大允许改变量，则应有Fmax-F=F-Fmin=|ΔP|

由此可以得到如下数学关系式:

分光比带宽

由式(1)～式(3)可知，分光比适用范围的最大值Kmax、最小值Kmin、带宽B都与规格值K和光节点信号电平最大允许改变量ΔP有关。因此说，对不同规格值，允许的分光比偏差范围和带宽是不同的，换言之，分光比规格值的分布是不均匀的。设计规格表时，需先确定ΔP，ΔP不同则所有规格参数值及其分布不同，ΔP越小，则带宽B越窄，规格型号的数量就越多，适应性也越强。

2 规格值的幅值特性

规格值的幅值特性是指规格值大小的变化特性。在常见的规格型光二分路器中，规格值的大小是按5%均匀递变的，但分析已经表明，规格值大小的变化应该是不均匀的。那么，相邻规格值或者说不同规格值的幅值大小有何关系，即它们的幅值特性是什么，下面就来进行分析。规格设计时，分光比参数值(指规格值、最大值、最小值)的确定从分光比低端由大到小顺序进行。设K1、K1-min、K1-max分别为第1个规格的标准值、最小值、最大值。同理设K2、K2-min、K2-max分别为第 2 个规格的标准值、最小值、最大值。依此类推。

令K1-min=K2-max，由式(1)和式(2)有

式(4)～式(8)清楚地展示了每一个规格值与前一个规格值、与第1个规格值的关系。可以发现

即相邻规格值减小时的比例系数均为10-|ΔP|/5，亦即衰减系数均为1-10-|ΔP|/5。由式(8)可知，第n个规格值相对第1个规格值的比例系数为10-(n-1)|ΔP|/5。当ΔP和K1确定后，可由式(8)计算出其它所有规格值。若ΔP=±0.2 dBm，取K1=50%，则分光比低端规格值K从50%～5%共有26个规格，各规格值如表1所示。其幅值特性图如图1所示。相邻规格值的衰减系数均为1-0.912=0.088。

表1 ΔP=±0.2 dBm、K=50% ～5%时的规格值数据表

图1 分光比低端规格值幅值特性图

3 规格值的疏密特性

规格值的疏密特性是指规格值间隔的变化特性。在常见的规格型光二分路器中，各规格值是均匀分布的，但事实上，规格值分布是不均匀的，即相邻规格值的间隔是不等的。那么，相邻规格值的间隔大小有什么变化特点，或者说规格值的疏密特性是什么，下面就来进行分析。由式(4)～式(8)可以得到，分光比低端相邻规格值间距(减小量)数学计算式如下:

如此类推

可以发现

即相邻规格值的间隔也均按比例系数10-|ΔP|/5减小，或者说衰减系数均为 1-10-|ΔP|/5。由ΔP和K1通过式(14)可以求得任何两个相邻规格值的间隔大小。若 ΔP=±0.2 dBm，取K1=50%，由式(14)可求得表1中26个规格值的每相邻两个规格值间隔如表2所示(25个间隔值与表1中相邻规格值之差结果相同)。间隔值的的衰减特性图，即规格值的疏密特性图如图2所示。规格值有疏变密，即间隔由大变下时，衰减系数均为0.088。

表2 ΔP=±0.2 dBm，K=50% ～5%时的规格值间隔数据表

图2 分光比低端规格值疏密特性图

4 分光比带宽特性

分光比带宽特性是指不同规格值的分光比带宽的变化特性。在常见的规格型光二分路器中，各规格值的分光比带宽是相同的，但事实上，各规格值的分光比带宽是不同的。由式(3)可知，在分光比低端，分光比带宽与规格值成正比，规格值越大，则带宽越宽;反之，规格值越小，则带宽越窄。下面就来分析不同规格值的分光比带宽变化特性。由式(3)可得，各个规格的分光比带宽数学计算式如下:

如此类推

可以发现

即带宽变窄系数也均为10 ，或者说衰减系数均为1-10-|ΔP|/5。由ΔP和K1通过式(21)可以求得任何一个规格的分光比带宽。若ΔP=±0.2 dBm，取K1由式(21)可求得表1中26个规格的带宽如表3所示。带宽变化特性图如图3所示。带宽由宽变窄时的衰减系数均为0.088。

表3 ΔP=±0.2 dBm、K=50% ～5%时的分光比带宽数据表

图3 分光比低端带宽递变特性图

5 结论

通过对光二分路器规格参数值变化特性的分析与研究，得出如下结论:

(1)由式(8)可知，对规格型光二分路器，在规定的规格值区间，比如在分光比低端，规格值从50%到5%，规格值的数目完全由光节点信号电平最大允许改变量ΔP决定，其计算公式为:n=5/|ΔP|+1，比如ΔP=±0.2 dBm 时，n=26，当|ΔP|＞0.2 dBm 时，规格值的数目小于26，反之，当|ΔP|＜0.2 dBm 时，规格值数目大于26。

(2)由式(9)可知，当光节点信号电平最大允许改变量ΔP确定后，任一个规格值的与前一个规格值的比值均为常数值10-|ΔP|/5。也就是说，在分光比低端，规格值从大到小按相同的衰减系数1-10-|ΔP|/5依次减小。比如ΔP=±0.2 dBm时，从50%到5%的26个规格值按相同衰减系数0.088依次减小。如图1光二分路器规格值的幅值特性所示。然而，在常见规格构成体系中，分光比低端从50%到5%的10个规格值幅值大小按5%等量均匀递减，但相邻规格值的衰减系数却是按1/10、1/9、1/8…1/2依次由小变大，或者说规格值的相对衰减率由慢变快。

(3)由式(15)可知，在分光比低端，规格值从大到小，其相邻规格值的间隔按相同衰减系数1-10-|ΔP|/5依次减小。比如 ΔP= ±0.2 dBm 时，从50%到5%的26个规格值，其相邻规格值的25个间隔按相同衰减系数0.088依次减小。就是说，各规格值是由疏到密非均匀的分布。如图2光二分路器规格值疏密特性所示。可是，在常见规格构成体系中，从50%到5%的10个规格值是按5%等间隔均匀分布的。

(4)由式(2)可知，在分光比低端，规格值从大到小，分光比允许偏差的范围，或者说分光比适用范围的带宽，按相同衰减系数1-10-|ΔP|/5依次变窄。比如ΔP=±0.2dBm时，从50%到5%的26个规格值，其分光比带宽按相同衰减系数0.088依次变窄。如图3光二分路器分光比带宽特性所示。但在常见规格构成体系中，每个规格值的带宽是相等的。

(5)图1所示规格值的幅值特性与图2所示规格值的疏密特性可以用图4一个图来更为直观的表现出来。