Application and technology of tunable optical power divider

This article introduces several applications of tunable optical power dividers and several current implementation technologies of tunable optical power dividers. It is believed that tunable optical power dividers will have very attractive application prospects in the future optical communication market. Fused tapered fiber couplers and PLC (planar light waveguide) optical power dividers have made great progress in recent years. However, both fiber-type and waveguide-type devices can only provide fixed splitting ratios. With the development of telecommunications services, more and more occasions require the use of optical power dividers with adjustable splitting ratios. 1. Application of tunable optical power dividers ● Reduce the cost of FTTH In order to reduce the cost of FTTH access, operators strive to save optical fiber resources. Many operators have adopted PON technology, and a single system can accommodate hundreds of users. In addition, operators use multiple users to share one user-end device, and gradually increase user-end devices when the number of users expands. The method of cascading optical power dividers can be used, that is, multiple users share one user-end device, and multiple user-end devices are connected to an optical line terminal (OLT) through an optical power divider. The number of users connected to each user-end device may not be the same, and the path distance from each user end to the OLT may also be different. That is, the optical signal power required by each user-end device may be very different and may change at any time. At present, fixed optical power distributors are used in PON, which is not conducive to the effective allocation of optical power resources. The adjustable optical power distributor is highly targeted at the ever-changing fiber-to-the-home market. It can dynamically allocate the optical power obtained by each user-end device by changing its own power allocation factor. This can improve the flexibility of network configuration, make full use of optical power resources, improve network reliability, and reduce investment risks. ● Self-healing ring protection In the metropolitan area network, the self-healing ring network is a common protection method. This method does not require manual intervention, and the network can automatically and real-time restore the services carried from the fault. The PON dual-fiber self-healing ring protection network is a typical application of the adjustable power distributor. Each node on the ring contains two power distributors. This network can ensure that the signal can still pass through all nodes when the line between nodes is cut off. However, if a fixed optical power divider is used, the power difference between nodes will be very large. Assuming that the attenuation loss of the optical fiber link between nodes is 1.5dB and the fixed power distribution factor is about 0.1, there will be a power difference of about 20dB between nodes in a system with N=10. If an adjustable optical power divider is used, as long as the power distribution factor of each node is properly adjusted, the power difference of the same system can be ignored. Since the self-healing ring using an adjustable power divider has the above advantages, it can be applied in a wide range of fields. ● Adjusting the power distribution of each node The adjustable optical power divider is not only applicable to the ring network, but also to the optical power divider series structure. Most of the above examples require the power balance of each node. When the optical signal power required by each node is different, the opposite can be done, and the power distribution factor of each node can be adjusted to meet the requirements of different nodes. ● Protection of medium and long-distance systems In addition to being used in access networks such as FTTH and PON, the adjustable optical power divider may also play an important role in medium and long-distance point-to-point systems. For example, it can be used in optical line protection modules. At present, there are two main optical line protection solutions commonly used at home and abroad, one is the 1+1 solution and the other is the 1:1 solution. In the 1+1 solution, a 1×2 optical power divider is first used to divide the optical signal into two paths at the output port of the optical signal. At the receiving port, a 1×2 optical switch is used to selectively connect one of the paths to the receiver. Its advantage is that the system can monitor the two optical signals at the same time. In the event of a fault, the path with better optical signal quality is always selected. However, this solution loses half of the optical power. In the 1:1 solution, a 1×2 optical switch is deployed at both the output and input ports of the optical signal to achieve simultaneous switching of the optical path. The optical signal is transmitted in only one line at the same time. Its advantage is that the system can avoid the optical signal from having half of its optical power loss at the beginning. Using an adjustable optical power divider to replace the 1×2 fixed optical power divider in the 1+1 solution can take into account the advantages of both solutions. The system can monitor two paths at the same time and dynamically call the optical power resources in the backup path. Moreover, in actual engineering applications, the protection path and the initial path are often not in the same optical cable, and even the physical paths are completely different, so that it can truly protect the optical cable from being cut. This is because the protection path and the initial path may have a large difference in distance, whether it is a 1+1 solution or a 1:1 scheme, when the two paths are switched, the compensation or attenuation of optical power may become a necessary condition for the normal operation of the system. In other words, optical amplifiers and adjustable optical power attenuators may be necessary equipment. After the use of adjustable optical power distributors, it may not be possible to save the required optical amplifiers, but the adjustable optical power attenuator will no longer be necessary. Figure 1 is an adjustable optical power distributor scheme for optical line protection. Figure 1 Adjustable optical power distributor scheme for optical line protection ● Used in a larger range of optical fiber CATV networks Adjustable optical power distributors can also replace the past fixed splitters for a larger range of optical fiber CATV networks. In the past, optical fiber fused taper optical splitters were used, and optical splitters with different splitting ratios were designed according to the population and distance distribution of the community, and then customized from manufacturers. However, due to the fixed splitting ratio, when the increase or decrease of users in the community causes the power required by each node to change, the splitters can no longer match it. When the link loss to each community increases due to various reasons, the operation and maintenance of the network is also more troublesome. At this time, if the general optical splitter is replaced by an adjustable optical power divider, it will greatly facilitate network construction, reduce costs, and make the network have good scalability and adaptability. ● Other applications The adjustable optical power divider can also play a key role in the design of intelligent optical amplifiers (such as adjustable gain equalizers, adaptive optical amplifiers, etc.), so that these devices can automatically adjust their working state to meet the system application requirements, and can greatly reduce the optical power consumption. In summary, the adjustable optical power divider can flexibly respond to network changes by changing its power distribution factor, maintain power balance, effectively utilize optical power resources, and maintain the transmission quality of the network. The current network is becoming more and more variable, and there is an increasing need for devices that can change with network changes. Therefore, we believe that the adjustable optical power divider will have a very broad market. 2. Implementation technology of tunable optical power divider So far, there has been no tunable optical power divider that has been truly applied on a large scale on the market. According to domestic and foreign reports, the current implementation technologies of tunable optical power dividers are mainly the following. ● Fiber-type adjustable optical power distributor 1) Y-type fiber fused taper type optical power adjustable coupler Fused taper type optical fiber devices have been widely used in optical fiber communication and optical fiber sensing systems. The fused taper method is to put two bare optical fibers together, heat them in a high-temperature flame to melt them, and stretch the optical fibers at both ends of the optical fibers to make the optical fiber fused area become a tapered transition section, thereby forming a coupler. The incident light is redistributed in the coupling area, and part of the optical power continues to be transmitted from the straight-through arm, and the other part is transmitted from the coupling arm to another optical path. As long as the length of the coupling area is changed, the optical power distributed to the coupling arm can be changed, thereby changing the splitting ratio. At present, the commonly used method is to apply stress to the coupling area of ​​the coupler to make the coupling area expand and contract, change the length of the coupling area, and then obtain a change in the splitting ratio. 2) Fiber polished adjustable optical power coupler As shown in Figure 2, the polished fiber coupler uses optical cold processing (mechanical polishing) to remove part of the cladding of the optical fiber, so that the optical fiber waveguides can approach each other to form an evanescent field and penetrate each other. The principle of making a coupler with adjustable splitting ratio by this method is similar to the previous method, which is to change the splitting ratio by changing the length of the coupling zone. For example, if one optical fiber can be made to move relative to another optical fiber, the length of the coupling zone can be appropriately adjusted. Figure 2 Model of polished optical coupler The above two methods are similar in principle, but the applied stress and the relative movement of the optical fiber are difficult to control accurately, and the adjustable range is small, the polarization correlation is high, and the control accuracy is low. Therefore, although these two methods were proposed earlier, they have been difficult to apply in practice for many years. 3) Fiber cross-section splitting type adjustable optical power coupler There is also a report proposing a V-groove optical fiber adjustable optical power coupler. As shown in Figure 3, a V-groove is cut in the side wall of the optical fiber through micromachining, and the light beam passes through both sides of the groove surface and couples energy to both ends of the optical fiber respectively, thus achieving the purpose of beam splitting. As long as the projection area of ​​the incident Gaussian light spot on both sides of the V-groove is appropriately adjusted, the change of the splitting ratio can be achieved. Figure 3 V-groove fiber beam splitting model The principle of this method is simple, but it is difficult to implement. First, how to precisely control the distribution of the projected area of ​​the incident light spot on both sides of the V-groove remains to be studied. Secondly, since the reflectivity of the incident light is related to its polarization direction, the change in the polarization direction of the incident light will also affect the coupling efficiency. At present, there has been no report on the practical application of this method. ● Thermo-optical adjustable optical power divider The optical switch developed using the thermo-optical effect of organic polymers has been widely used in the field of optical communication waveguide devices. This effect can also be used to make adjustable optical power dividers. Thermo-optical waveguide optical switches usually use a symmetrical single-mode Y-branch structure. The input and output waveguides are single-mode waveguides. The two branch arms have the same optical transmission characteristics, the same material structure and the same waveguide width. When light is input from the input end, the power will be equally output at the two output ends. At this time, the Y branch is a 3dB coupler. According to the mode separation principle, when there is a certain difference in the effective refractive index of the light in the two branch arm waveguides of the Y branch, the light wave input from the input end will mainly be transmitted to the branch arm with a larger effective refractive index, and output from the output end connected to this arm. At this time, the Y branch is called an asymmetric Y branch. The asymmetric effective refractive index of the two arms can be achieved by different waveguide sizes or different refractive indexes of waveguide materials. For example, by placing heating electrodes on (or near) the two arms of the symmetrical Y branch, the (negative) thermo-optical effect of organic polymer materials is used to increase the temperature at the corresponding Y branch arm, reduce the effective refractive index of the waveguide, and focus the light wave energy input from the input end to the other branch arm for output. Therefore, by controlling the heaters on (or near) the two arms of the Y branch, the output of light at the two output ends can be controlled to achieve a tunable optical power divider. In principle, such a device is only suitable for situations where the adjustable range of the splitting ratio is small. For example, for a 5%:95% optical coupler. Although a splitting ratio of more than 10% can also be achieved, the total power loss of the two paths combined will increase suddenly. ● MEMS-type tunable optical coupler MEMS (micro-electromechanical system) technology has been widely used in optical communication systems due to its advantages such as miniaturization and ease of large-scale integration. Companies engaged in the development of MEMS technology have launched MEMS tunable optical couplers. However, their devices are only suitable for situations where the split ratio is relatively small, such as 5%:95%. If the same device is to achieve a 50%:50% split ratio, the total power loss will exceed 50%. Therefore, their device is actually just an adjustable optical attenuator that can split light. ● Partially reflective adjustable optical power divider The method of using a dual-core collimator at the input end, a reflector with a gradient reflectivity in the middle, and a single-core collimator at the output end to make an optical power divider with adjustable split ratio can also change the split ratio of the two output ends (Figure 4). The main disadvantage of this method is that it requires very high control accuracy when the motor and the reflector are moved. Experimental and theoretical analysis found that this method is either very costly or the insertion loss at the reflective output end varies too much, making it very unreliable. Figure 4 Schematic diagram of partially reflective adjustable optical power divider ● Micro-optical adjustable optical power divider Micro-optical technology is a technology that assembles small discrete optical devices on an optical platform. Micro-optical devices made using the principle of crystal optics have the advantages of compact structure, mature manufacturing process, and low polarization sensitivity. Micro-optical adjustable optical power dividers can be made using birefringent crystal splitting, light combination and micro-optical polarization interference technology. Wuhan Optical Network Technology Co., Ltd. has launched a practical micro-optical adjustable optical power divider, which currently has two styles: manually adjustable and electrical signal adjustable. The specific principle is that the input light is split by the crystal and its vibration phase is changed by a rotatable half-wave plate, and then combined by another crystal. The angle between the optical axis of the rotating half-wave plate and the vibration direction of the input light determines the splitting ratio of the multi-channel output light. After calculation and experimental verification, the corresponding relationship between the insertion loss of the two output lights of the adjustable optical power divider and the angle between the optical axis of the rotating half-wave plate and the vibration direction of the input light is shown in Figure 5. Figure 5 Corresponding relationship between the output light insertion loss of the micro-optical adjustable optical power divider and the angle of the optical axis of the rotating half-wave plate As can be seen from Figure 5, theoretically, the divider is a wide-range adjustable optical power divider whose splitting ratio can be arbitrarily tuned from 0 to 100%. In fact, the output insertion loss of each channel of the samples currently developed is 0.8dB or less, it is an excellent device with low loss, high resolution, high precision and wide adjustable range. 3. Summary To sum up, tunable optical power dividers will have very attractive application prospects in the future optical communication market. However, due to the immaturity of its implementation technology, truly commercialized tunable optical power dividers are still extremely rare in the market. The micro-optical tunable optical power divider launched by Accelink may be a breakthrough, which is expected to pave the way for the large-scale application of tunable optical power dividers in the future market.