Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ОПТИЧНІ ВОЛОКНА

1.1 Принципи передачі сигналів по оптичному волокну

Передача сигналів по оптичному волокну заснована на явищі відбиття-заломлення оптичної хвилі на межі розділу двох середовищ з різними показниками коефіцієнтами заломлення.

Як показано на рис. 1.1а, при падінні світлового променя на межу розділу двох середовищ з коефіцієнтами заломлення n₁ та n₂ в загальному випадку відбувається відбиття та заломлення світла. Якщо світлова хвиля виходить з середовища з більшою оптичною густиною і попадає в середовище з меншою оптичною густиною, тобто n₁ n₂, то на межі розподілу цих середовищ падаючий промінь частково відбивається від межі розподілу, а частково потрапляє в середу з меншою оптичною густиною, заломлюючись при цьому, тобто змінюючи кут розповсюдження.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б) в)

1 - падаюча хвиля, 2 - відбита хвиля, 3 - заломлена хвиля

Рисунок 1.1- Відбиття та заломлення світлових хвиль

Згідно закону Снелліуса, кут падіння _п, кут відбиття _відб та кут заломлення _залом зв'язані слідуючими співвідношеннями:

(1.1)

(1.2)

По мірі збільшення кута падіння кут заломлення збільшується і при виконанні умови

(1.3)

кут заломлення буде дорівнювати 90⁰ і заломлений промінь буде ковзати по межі розподілу середовищ (рис.2.1,б). Кут падіння, при якому виникає це явище носить назву граничного кута повного внутрішнього відбиття _{пад.гран.}. Цей кут визначається із співвідношення

.(1.4)

Для всіх кутів падіння, які перевищують граничний кут повного внутрішнього відбиття буде мати місце тільки відбиття світлового променя (рис.1.1,в). Це явище носить назву повного внутрішнього відбиття.

Оптичне волокно (ОВ) в загальному виді являє собою шарувату структуру, круглу в поперечному перетині (рис.1.2).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.2 - Конструкція оптичного волокна

Серцевина - елемент оптичного волокна по якому безпосередньо розповсюджується світлова хвиля. Серцевина виготовляється з кварцового скла, найчастіше модифікованого різними хімічними елементами, або з пластику. Серцевина має коефіцієнт заломлення n₁.

Оболонка - елемент призначений для створення умов повного внутрішнього відбиття та зниження випромінювання енергії в зовнішнє середовище. Оболонка часто формується з того ж матеріалу, що і серцевина шляхом додаткової модифікації тими чи іншими хімічними елементами, призначеними для створення необхідного коефіцієнту заломлення n₂ і витримання умови n₁ > n₂.

Зовнішня оболонка - виготовляється з пластику, призначена для захисту ОВ від зовнішніх пошкоджуючих впливів та для підвищення первинної міцності всієї конструкції. Зовнішня оболонка може включати в себе гідрофобне покриття. Зовнішня оболонка завжди видаляється при з'єднанні ОВ.

Оптичні волокна разом з іншими елементами об'єднуються в оптичний кабель (ОК) . В залежності від типу та конструкції ОК можуть бути деякі відхилення від побудови ОВ, які не мають принципового значення.

Розмір ОВ визначається зовнішніми діаметрами складових частин його конструкції. Наприклад: 50/125/250 - характеристика ОВ з діаметром серцевини 50 мкм, діаметром оболонки 125мкм та діаметром зовнішньої оболонки 250 мкм.

Випромінювання зовнішнього джерела, яке падає на вхідний торець ОВ збуджує в ньому декілька типів хвиль, які називаються модами.

На рис.1.3 показано розповсюдження світлової хвилі по ОВ при припущенні, що коефіцієнт зламу матеріалу серцевини є незмінним по її діаметру. Для спрощення зовнішня оболонка не розглядається.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.3 - Розповсюдження світла в оптичному волокні

Світлові хвилі 1 та 2 які падають на торець ОВ в межах кута _А повністю відбиваються від межі розподілу серцевини і оболонки і забезпечують передавання інформації по світловоду. Ці хвилі утворюють направляємі моди, а кут _А, в межах якого відбувається повне відбиття хвилі на межі серцевини і оболонки має назву апертурного кута. Апертурний кут визначається експериментально і зазначається для кожного типа ОВ різних фірм.

Світлові хвилі які падають під кутом , що перевищує апертурний кут наприклад хвиля 3, частково проникають в оболонку і створюють витікаєму моду 4. В залежності від значення кута та від співвідношення коефіцієнтів заломлення оболонки та зовнішньої оболонки, можуть утворюватись випромінювані моди 5. Поява витікаємих та випромінюваних мод приводять до втрат або викривленню передаваємої інформації.

1.2 Найважливіші параметри оптичного волокна

До найважливіших параметрів ОВ відносяться:

- загасання;

- дисперсія;

- число мод в ОВ;

- числова апертура і коефіцієнт заломлення;

- нормована частота, довжина хвилі відсічки, число направляємих мод.

1.2.1 Загасання

В процесі розповсюдження по ОВ світлова хвиля відчуває загасання, яке обумовлює зменшення потужності світлової хвилі на кінці ОВ по відношенню до її потужності на вході.

В техніці зв'язку потужність прийнято вимірювати в логарифмічних одиницях. Потужність, яка виражена в логарифмічних одиницях має назву рівень потужності. Рівні бувають абсолютні і відносні. Абсолютний рівень потужності вимірюється відносно абсолютного нульового рівня, в якості якого прийнята потужність 1 мВт = 10^-6 Вт, тобто

(1.5)

де: р₀ - абсолютний рівень потужності,

Р - потужність яка вимірюється,

Р₀ - абсолютний нульовий рівень.

Відносний рівень потужності виражає значення потужності, що вимірюється порівняно до потужності, відносно якої визначається вимірювана потужність, тобто

(1.6)

де:р - відносний рівень потужності,

Р_А - потужність, що вимірюється,

Р_В - потужність, відносно якої визначається рівень потужності Р_А.

Мірою загасання є рівень потужності на виході, в нашому випадку на виході ОВ, відносно потужності на вході ОВ, тобто:

(1.7)

де:р - загасання. позначення загасання як правило співпадає з

позначенням відносного рівня потужності.

Р₂ - потужність на виході.

Р₁ - потужність на вході.

Як легко бачити

(1.8)

де:Р₀₂ - абсолютний рівень потужності на виході,

Р₀₁ - абсолютний рівень потужності на вході.

Якщо р>0, то має місце підсилення потужності при передачі, тобто Р₂>P₁, якщо р<0 - має місце загасання (втрата)потужності, тобто Р₂<P₁. В випадку р=0 - передача здійснюється без втрат потужності, тобто Р₂=P₁.

Мірою рівнів потужності є децибел потужності, скорочено дБп, на відміну від рівнів напруги або току, які вимірюються в децибелах (дБ).

Серед основних причин втрат потужності при розповсюдженні світла по ОВ є втрати на розсіювання та втрати на поглинання. Втрати на поглинання обумовлені флуктуаціями коефіцієнту заломлення матеріалу серцевини. Звичайно втрати на поглинання називають релеєвським розсіюванням , і розраховують по формулі:

[дБ/км],(1.9)

де:К_р - коефіцієнт релеєвського розсіювання, який для кварцевого ОВ дорівнює 0,8 мкм⁴ дБ/км.

- довжина хвилі світлової хвилі.

Втрати потужності приводять до втрати інформації в ОВ, що скорочує протяжність волоконно-оптичних ліній зв'язку, або потребує їх ускладнення шляхом введення регенераційних (відновлювальних) пунктів.

Втрати на поглинання викликані нагріванням ОВ при розповсюдженні світлової хвилі і звичайно носять назву інфрачервоного поглинання. Інфрачервоне поглинання становиться помітним при 1,7 мкм, і розраховується по формулі:

(1.10)

Для кварцевого ОВ С и k - постійні коефіцієнти, які мають такі значення: С=0,9; k=0,810^-6 м.

Лінеарізовані спектральні залежності (залежність від довжини світлової хвилі) релеєвського розсіювання (крива1) та інфрачервоного поглинання (крива2) показані на рис 1.4. На цьому ж рисунку наведена спектральна залежність коефіцієнта загасання реальних світловодів. Реальний коефіцієнт загасання відображає як основні (фундаментальні) втрати потужності на релеєвське розсіювання та інфрачервоне поглинання, так і додаткові втрати потужності (крива 3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.4 - Лінеарізовані спектральні залежності деяких видів загасання (релеєське розсіювання-1, інфрачервоне поглинання-2, реальне загасання в кварцовому оптичному волокні-3)

Додаткові втрати потужності викликані багатьма причинами, серед яких найбільший вплив мають так звані кабельні втрати, які виникають через місцеві локальні деформації ОВ, викликані накладанням захисних оболонок, скруткою елементів в ОК, тощо, а також наявністю в матеріалі серцевини атомів і молекул домішок, на яких виникає резонансне збільшення втрат на певних довжинах хвильових хвиль.

Реальна спектральна залежність коефіцієнту загасання викликана багатьма чинниками, практично не піддається аналітичному опису і складається на базі експериментальних даних.

З графіків, наведених на рис 1.4 витікає, що область використання ОВ із кварцевого скла обмежена діапазоном видимого світла та інфрачервоним діапазоном хвиль. Крім того робота ОВ ефективна не на всіх довжинах світлових хвиль, а тільки у повних ділянках спектру, в яких наявні мінімуми втрат. Ці ділянки називаються вікнами прозорості і виділені на графіку, наведеному на рис 1.4. Точні межі вікон прозорості визначені стандартом ISO/IEC 11801 і наведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 - Вікна прозорості

Вікно прозорості	Довжина хвилі , мкм	Типове загасання, дБ/км.
	Мінімальна	Центральна	Максимальна
1	790	850	910	2-3
2 (мм)	1285	1300	1330	0,7-1,5
2 (sм)	1288	1310	1339	0,4-1,0
3	1525	1550	1575	0,2-0,4

Характеристики випромінювачів світла та фотоприймачів, які застосовуються в ВОЛЗ оптимізуються саме для цих вікон прозорості.

Загасання, які викликані розсіюванням та поглинанням можна віднести до власних втрат волокна. Як вже відзначалось, крім власних, ОВ притаманні ще так звані кабельні або радіаційні втрати, які викликані скруткою, деформаціями та вигинами ОВ, які з'являються при накладанні покрить та захисних оболонок при виготовленні та прокладанні ВОК. При одержанні всіх вимог і правил при прокладанні ВОК, кабельні утрати складають не більше ніж 20% від загального загасання. Додаткові кабельні втрати можуть з'явитися, якщо радіус вигину кабелю буде становити менше мінімально-допустимого. Мінімально-допустимий радіус вигину вказується в специфікації ВОК.

Втрати енергії в ОВ ілюструються рис 1.5.

1.2.2 Дисперсія

До цього ми розглядали ОВ досить великого діаметру (50 мкм) зі східчастою зміною показника заломлення (див.рис.1.3). Діаметр такого волокна на порядок більший ніж довжина хвилі світлового променю. Через це у світловоді поширюється декілька світлових променів - мод (див.рис.1.2) у всіх трьох вікнах прозорості. В результаті цього світлові промені проходять зі входу на вихід різними шляхами, втрачаючи на це різний час - одні промені, які ідуть по короткому шляху приходять раніше, інші, які ідуть по довшому шляху - пізніше і більше загаснуть.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.5 - Ілюстрація втрат в оптичному волокні

Таким чином втрати (загасання) можна класифікувати так, як це показано на рис 1.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.6 - Основні типи втрат (загасання) в оптичному волокні

Це приводить до того, що прямокутний імпульс світла, яким передається інформація в цифрових системах (рис.1.7а), розмивається і розширюється (рис.1.7б). Це явище носить назву дисперсії.

Вхід Вихід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.7 - Розширення прямокутного імпульсу, викликаного дисперсією

У узагальненому вигляді дисперсія визначається як квадратична різниця тривалостей імпульсів на виході та вході ОВ, яке має довжину L

Дисперсія звичайно нормується в розрахунку на 1 км довжини і вимірюється в пс/км.

Поява дисперсії викликана більшими чинниками, ніж ті що вказані вище. Класифікація видів дисперсії ілюструється рис 1.8.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.8 - Класифікація дисперсії в оптичному волокні

Міжмодова дисперсія виникає лише в ОВ, в якому поширюється декілька мод (променів) (так зване багатомодове ОВ), виникає через різницю шляхів, які проходять різні моди при їх проходженні через ОВ.

Для східчастого ОВ, профіль показника заломлення якого показаний на рис. 1.3б міжмодову дисперсію можно визначити по формулі

(1.11)

де: n₁ - коефіцієнт заломлення серцевини ОВ,

- відносний коефіцієнт заломлення ОВ

n₂ - коефіцієнт заломлення оболонки

с - швидкість світла

L - протяжність лінії

Формула (1.11) справедлива лише для ідеального ОВ, в якому відсутній обмін енергією між модами. В реальних ОВ наявність неоднорідностей приводить до переходу енергії від одних мод до інших. Однак після визначеної довжини проходження світла в ОВ наступає усталений зв'язок мод. Довжина шляху, після проходження якого наступає усталений режим зв'язку мод носить назву довжини усталеного зв'язку мод L_У. При довжинах більших ніж L_У міжмодову дисперсію необхідно визначити за формулою:

(1.12)

На практиці при описі багатомодових ОВ користуються терміном “смуга пропускання” яка пов'язана з міжмодовою дисперсією таким співвідношенням :

,(1.13)

де: П - смуга пропускання (мГцкм)

_мм - міжмодова дисперсія (пс/км)

Смуга пропускання П - це максимальна частота модуляції сигналу що передається при довжині лінії 1 км.

Хроматична (частотна) дисперсія складається з хвилеводної і матеріальної. Хроматична дисперсія присутня як в багатомодовому, так і в одномодовому ОВ, однак найбільш вона проявляється в одномодовому ОВ через відсутність в ньому міжмодової дисперсії.

Матеріальна дисперсія обумовлена спектральною залежністю коефіцієнта заломлення і визначається формулою:

(1.14)

де: - розширення довжини хвилі через некогерентність джерела випромінювання;

- питома матеріальна дисперсія.

Хвилеводна дисперсія обумовлена спектральною залежністю коефіцієнту розповсюдження

, (1.15)

де: - питома хвилеводна дисперсія.

Результуюче значення питомої хроматичної дисперсії D() визначається як сума питомих складових.

, (1.16)

Питома дисперсія має розмірність пс/(нмкм).

Хвилеводна дисперсія завжди більше 0. Матеріальна дисперсія може бути як більше, так і менше 0. Підбираючи особливим чином профіль показника заломлення можна повністю, або частково компенсувати хвилеводну дисперсію за рахунок матеріально і зробити хроматичну дисперсію або рівною, або близькою до 0 хоча б в якійсь смузі частот.

Поляризаційна дисперсія виникає в наслідок затримки ортогонально поляризованих світлових хвиль. Поляризаційна дисперсія проявляє себе виключно в одномодових ОВ з нециркулярною серцевиною і за деяких умов може стати спільномірною з хроматичною дисперсією, але в більшості випадків вона має мале значення і в розрахунках не використовується.

1.2.3 Багатомодові і одномодові оптичні волокна

Викривлення імпульсу через дисперсію приводить до зменшення його амплітуди та збільшення тривалості і може привести до викривлення інформації, сбою синхронізації. А також приводить до зменшення пропускної здібності через зменшення полоси пропускання ОВ. Історично, на перших порах, коли по ВОЛЗ передавалися порівняно невеликі потоки інформації, обмеження, які накладаються дисперсією не брались до уваги і багатомодове волокно знаходило широке використання завдяки більшій простоті виготовлення та меншій вартості. Для зменшення дисперсії багатомодове волокно згодом стали виготовляти градієнтним, тобто зі змінним показником заломлення по радіусу. Стандартне багатомодове градієнтне волокно має діаметр серцевини 50 мкм і 62,5 мкм (50/125 мкм, або 62,5/125 мкм) і параболічний закон зміни коефіцієнта заломлення по радіусу. Поширення світлових променів по багатомодовому волокну зі східчастою і параболічною зміною показників заломлення ілюструється рис.1.9.



Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Східчаста (а) та параболічна (б) зміна показника заломлення

Рисунок 1.9 - Розповсюдження світла в багатомодових оптичних волокнах

Градієнтне волокно має меншу дисперсію у порівнянні із східчастим ОВ. Стандартні багатомодові градієнтні волокна в наш час знаходять застосування в структурованих кабельних системах.

Якщо зменшувати діаметр серцевини, то коли діаметр буде приблизно дорівнювати довжині хвилі по ОВ буде розповсюджуватись тільки один промінь(мода). Таке волокно має назву одномодового. Діаметр серцевини одномодового ОВ має розмір 5-10мкм. Дисперсія одномодового ОВ значно менше дисперсії багатомодового ОВ.

Найбільше поширення в ВОЛЗ знайшли такі ОВ.

Одномодове східчасте волокно (волокно з незміщеною дисперсією або стандартне волокно (810)/125 - волокно SF (Standart Fiber)) (рис 1.10а).

Одномодове волокно зі зміщеною дисперсією (810)/125 - волокно DSF (Dispersion-shifted Singl Mode Fiber) (рис 1.10б).

Одномодове волокно з ненульовою зміщеною дисперсією - волокно NZDSF (Nou Zero Dispersion-shifted Singl Mode Fiber). Профіль показника в цього волокна подібний з попереднім, тобто DSF.



Размещено на http://www.allbest.ru/

а) східчасте волокно (стандартне волокно, SF); б) волокно із зміщенням дисперсії (DSF - із зміщеною нульовою дисперсією та NZDSF - зі зміщеною ненульовою дисперсією)

Рисунок 1.10 - Профілі показників заломлення найбільш поширених одномодових волокон

Серцевини класичного одномодового ОВ із східцеподібним профілем показника заломлення виготовляють здебільшого з кварцу, слабко легованого двоокисом германію (3,1% GeO₂ + 96,9 SiO₂ ), а оболонку з чистого кварцу (SiO₂). В такому ОВ область нульової дисперсії, яка знаходиться у другому вікні прозорості на довжині хвилі =1310 нм не співпадає з діапазоном мінімальних оптичних втрат кварцу, який знаходиться в першому вікні прозорості на довжині хвилі =1550 нм.

Нульова дисперсія обумовлена взаємокомпенсацією двох її складових: матеріальної дисперсії М_мd та хвилеводної дисперсії М_wd

(1.17)

Обидві складові на довжині хвилі нульової дисперсії приблизно рівні за величиною та протилежні за знаком і компенсують одна одну (рис 1.11а).



Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

а) компенсація матеріальної та хвилеводної дисперсій

б) залежність загасання та дисперсії від довжини хвилі

Рисунок 1.11- Загасання та дисперсія в оптичних волокнах різних типів

Чим меншим є значення дисперсії, тим ширша смуга пропускання ОВ і тим більший потік інформації можна по ньому передати. Тому при проектуванні ВОЛЗ на східцеподібних одномодових ОВ доводиться вирішувати що важливіше: або забезпечити широку смугу пропускання на довжині хвилі 1310 нм та зменшити довжину регенераційної ділянки в 3-5 разів, або, орієнтуючись на мінімальні оптичні втрати на довжині хвилі 1550 нм, зменшити смугу пропускання, забезпечивши максимальну довжину регенераційної ділянки. ОВ типу DSF має зміщену довжину хвилі нульової дисперсії в діапазон мінімальних оптичних втрат (рис 1.11,б). Це досягається завдяки збільшенню показника заломлення, що досягається шляхом підвищення концентрації домішок GeO₂ у серцевині, але це приводить до деякого збільшення коефіцієнту загасання показника заломлення ОВ (рис 1.9,б). В такому волокні реалізуються найкращі характеристики як по мінімум дисперсії, так і по мінімуму втрат на довжині хвилі 1550 нм. Тому таке волокно застосовується для будівництва ВОЛЗ з великими регенераційними ділянками (100 км і більше) при довжині хвилі 1550 нм. Недоліком ОВ типу DSF є досить велике загасання на хвилі 1300 нм.

ОВ з ненульовою зміщеною дисперсією типу NZDSF оптимізовано не для передачі на одній довжині хвилі, а в деякій смузі. Механізм компенсації матеріальної та хвилеводної складових дисперсії показаний на рис1.11а, а один з варіантів профілю показника заломлення на рис 1.9б.

ОВ типу NZDSF належить до цілого класу волокон, які мають згладжену форму, близьку до нуля в широкому діапазоні хвиль від 1200 нм до 1700 нм. Досягається це формуванням складного профілю показника заломлення, один із прикладів яких наведений на рис 1.12. Використання ОВ зі згладженою дисперсією дозволяє значно збільшити об'єм інформації що передається за рахунок одночасної роботи на декількох довжинах хвиль в одному світловоді і найбільш ефективно можуть використовуватись при побудові цілком оптичних мереж (AON).

N

Размещено на http://www.allbest.ru/

R

Рисунок 1.12 - Приклад профілю показника заломлення в оптичному волокні зі згладженою ненульовою дисперсією

1.2.4 Числова апертура і коефіцієнт заломлення

Важливим параметром, що характеризує ОВ є числова апертура.

Числова апертура позначається NA і чисельно дорівнює значенню синуса граничного кута повного відбиття, який визначається формулою (1.4), тобто:

.(1.18)

Для волокна зі східчастим профілем (див. рис 1.3) легко одержати значення NA, виражене через показники коефіцієнтів заломлення серцевини та оболонки ОВ:

, (1.19)

де: - відносна різниця коефіцієнтів заломлення - теж один із важливих параметрів ОВ

.(1.20)

Для ОВ з більш складними профілями показника заломлення, (див.рис 1.12) використовується поняття локальної числової апертури

(1.21)

де:n₁(r) - значення показника заломлення на відстані r від центру серцевини.

Для градієнтних ОВ зі степеневим показником профіля заломлення, розподіл заломлення вдовж радіусу серцевини описується формулою:

, (1.22)

де:r - поточне значення радіусу серцевини ОВ;

а - кінцеве значення радіусу серцевини ОВ.

Залежність квадрату показника заломлення від відносного радіусу серцевини ОВ r/a при різних значеннях ступеня k показана на рис 1.13.

Для градієнтного волокна з параболічним профілем показника заломлення (див.рис 1.9,б) визначається ефективна числова апертура NA_еф:

,(1.23)



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.13 - Степеневі профілі ПЗ градієнтних волокон

де:n₁(0) - значення показника заломлення на осі.

Складні профілі показника заломлення формуються зміною концентрації легуючих матеріалів, що досягається різними технологічними прийомами в процесі виготовлення ОВ. Залежність показника заломлення кварцу (SiO₂) від концентрацій легуючих матеріалів ілюструється рис 1.14.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1.14 Показник заломлення (n) кварцу (SiO₂) за різних концентрацій домішок (на довжині хвилі л=650нм)

Показник заломлення залежить також, як вже зазначалося від довжини світлової хвилі, що саме і приводить до появи хроматичної дисперсії. Показник заломлення n показує в скільки разів фазова швидкість монохроматичної хвилі в необмеженому середовищі певного матеріалу V_ф менша від швидкості світла у вакуумі с, тобто з цієї точки зору:

(1.24)

Реальний світловий пучок має спектр хвиль певної ширини, при цьому різні спектральні складові мають різну фазову швидкість V. Швидкість поширення такої сукупності хвиль називається груповою швидкістю V_г. Відмінність групової швидкості хвиль (тобто швидкості світлового пучка) у даному середовищі від її значення у вакуумі характеризується груповим показником заломлення n_g.

(1.25)

Груповий показник заломлення показує, у скільки разів швидкість світла в середовищі менша від її величини у вільному просторі. Групова швидкість V_г=с/ n_g характеризує швидкість перенесення енергії в ОВ.

Показник заломлення n і груповий показник заломлення n_д залежать від довжини світлової хвилі. Залежність n та n_g від для чистого кварцу, який найчастіше використовується при виробництві ОВ, ілюструється рис 1.15.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.15 - Показник заломлення (n) та груповий показник заломлення (n_g) для чистого кварцу (100% SiO₂)

1.2.5 Нормована частота і довжина хвилі відсічки

Нормована частота - один з важливих узагальнених параметрів ОВ, який використовується для оцінки властивостей ОВ і пов'язує його структурні параметри і довжину хвилі, яка розповсюджується в волокні. Нормована частота V визначається по формулі:

(1.26)

Значення нормованої частоти є критерієм можливості розповсюдження певної моди по ОВ. Розрахунки на основі рівнянь Максвела свідчать, що мода може поширюватися по ОВ, якщо нормована частота відповідає нерівності

(1.27)

Зменшуючи радіус та числову апертуру ОВ, можна добитися одномодового режиму ОВ.

Мінімальна довжина хвилі, при якій в ОВ розповсюджується тільки одна мода носить назву волоконної довжини хвилі відсічки. Вона визначається з (1.27) при умові V=2,405.

(1.28)

На практиці більше поширення знайшла кабельна довжина хвилі відсічки _min.каб, яка зміщена в область більш коротких хвиль через вплив механічних напружень в ОВ, які виникають при виготовленні ОК та його прокладці. Через складність теоретичного визначення цих впливів кабельну довжину хвилі відсічки визначають як правило експериментально.

Число спрямованих мод в ОВ залежить від співвідношення показників заломлення серцевини і оболонки n₁ та n₂, радіуса серцевини r, довжини хвилі , закону зміни показника заломлення від радіусу серцевини n₁(r). В показано, що для ОВ зі східчастим профілем показника заломлення число спрямованих мод визначається із співвідношення N=V²/2, а для параболічного градієнтного профілю показника заломлення N=V²/4. Таким чином при однаковій нормованій частоті V число спрямованих мод N в ОВ з градієнтним профілем показника заломлення вдвічі менше, ніж в ОВ зі східчастим профілем показника заломлення і його характеристики передачі істотно кращі через меншу дисперсію.

Якщо при V2.405 може поширюватися тільки одна мода, то з ростом V кількість мод різко зростає, причому нові моди “включаються” при переході V через критичні значення, визначені коренями функції Бесселя.

оптичний волокно сигнал хвиля

1.3 Характеристики та функціональні властивості промислових оптичних волокон

На сучасних магістральних мережах зв'язку найбільше застосування знаходять ВОЛЗ, побудовані на ОК з одномодовими ОВ, тому розглянемо деякі характеристики та властивості сучасних промислових одномодових ОВ.

З точки зору дисперсійних властивостей, як уже зазначалося, існує три основних типи ОВ - стандартні волокна із східчастим профілем показника заломлення та незмішеною дисперсією - SF волокна, ОВ із зміщеною дисперсією - DSF волокна та ОВ з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF.

Волокно SF. На початку 80-х років ХХ століття джерела випромінювання на довжину хвилі 1300 мкм були більш надійними, мали меншу вартість і успішно конкурували із передатчиками на довжину хвилі 1550 мкм. Тому OB SF стало першим комерційним волокном, яке і зараз найбільш поширене на сучасних телекомунікаційних мережах. Це волокно оптимізовано по дисперсії для роботи на довжині хвилі 1310 мкм, хоча має менше загасання на довжині хвилі 1550 мкм.

Волокна DSF. По мірі удосконалення систем передачі на довжині хвилі 1550 мкм в середині 80-х років ХХ століття було розроблене ОВ з довжиною хвилі нульової дисперсії, яка попадає в це вікно прозорості і яке оптимізоване для роботи в цьому вікні як по загасанню, так і по дисперсії. На протязі багатьох років ОВ DSF вважалося самим перспективним. З поширенням технології WDM широко почали застосовувати ербієві оптичні підсилювачі типа EFDA, здатні підсилювати багатоканальний сигнал. Більш пізні дослідження показали, що оптичні підсилювачі EFDA на жаль мають велику нелінійність на довжині хвилі 1550 мкм, що призводить до різного збільшення шуму при розповсюдженні сигналу WDM.

Серед нелінійних ефектів найбільший вплив чинить так зване чотирьоххвилеве зміщування - ефект, який призводить до розсіювання двох хвиль з утворенням нових небажаних хвиль. Поява нових хвиль може приводити до деградації оптичного сигналу, що розповсюджується по ОВ, інтерферуя з ним, або до перекачування потужності з корисного хвилевого каналу. Саме через чотирьоххвилеве зміщування постало питання про розробку нового типу волокна.

Волокно NZDSF - створюється на початку 90-х років ХХ століття з метою подолання недоліків ОВ DSF при роботі з мультиплексним оптичним сигналом. Волокно NZDSF у діапазоні роботи ербієвого підсилювача має невелику, але все ж не нульовану дисперсію. Довжини хвиль нульової дисперсії винесені за межі полоси цього підсилювача. Це зменшує нелінійні ефекти та покращує характеристики ОВ при передачі DWDM сигналів.

В таблиці 1.2 наведені порівняльні характеристики широко використуємих сьогодні волокон NZDSF: True Wave Lucent Technologies, та волокон SMF - LS i LEAF фірми Corning Optical Fiber.

Таблиця 1.2 - Характеристики оптичних волокон

Характеристики	TrueWave	SMF-LS	LEAF
1	2	3	4
Головне робоче вікно	1550	1550	1550
Загасання
Максімальне на довжині хвилі 1550 мкм (дБ/км)	0,22-0,25	0,25	0,25
Максімальне на довжині хвилі 1310 мкм (дБ/км)	н/д	0,5	н/д
Максімальне в діапазоні 1525-1575 мкм (дБ/км)	0,30	0,30	0,30
На пікі ОН - 13833мкм (дБ/км)	1,0	2,0	2,0
При вигині на довжині хвилі 1550 нм (Дб)	0,50(1виток32 мм) 0,05(100витков75 мм)	0,50 (1 виток 32 мм) 0,05(100витков75мм)	н/д
На сухому стикі при довжині хвилі 1550 мкм (дБ)	0,10	0,10	н/д
Хроматична дисперсія в зоне ненульової дисперсії
min (пс/нмкм)	0,8 (зона 1540-60 нм)	н/д	1,0 (1540-60 нм)
max (пс/нмкм)	4,6 (зона 1540-60 нм)	-3,5(зона1530-1560 нм)	6,0 (1540-60 нм)
Наклон нульової дисперсії (пс/нм2км)	н/д	0,092	н/д
Довжина хвиль нульової дисперсії 0 (мкм)	1540	1560	н/д
Діаметр модового поля на довжині хвилі 1550 нм (нм)	8,4 0,6	8,4 0,5	9,5 0,5 9,6 (типове)
Кабельна довжина хвилі відсічки к (нм)	1260	1260	н/д
Полярізаційна модова дисперсія (пс/)	0,5при 1550 нм (max) 0,1при1550нм(типове)	0,5 при 1550 нм (max)	0,08 при 1550 нм (типове)

Примітка: н/д - немає даних

По дисперсійним характеристикам ОВ, зазначені в табл.1.2 близькі між собою, але ОВ LEAF має більшу ефективну площу для потоку світла - діаметр модової плями зріс на 1нм, що дає змогу збільшити рівень потужності, яка вводиться в ОВ на 2дБ, зберігаючи при цьому попередній рівень нелінійних ефектів.

Сучасні тенденції розвитку засобів телекомунікацій свідчать про перспективність систем передачі по волокну, в яких суміщаються часове мультиплексування - TDM (STM - 16 на 2,4 Гбіт/с і STM - 64 на 10 Гбіт/с) на одній довжині хвилі та багатомоддове мультиплексування WDM - тобто технології TWDM.

Найбільші здобутки в технології TWDM мають такі відомі фірми як Lucent, MIT, Fujitsu та інші, які вже широко тестують в рамках дослідних мереж мультиплексування 32 та більше каналів в розрахунку на одне ОВ, досягнувши вже швидкості передачі 40 Гбіт/с на віддаль у декілька сотень кілометрів. Незважаючи на це в найближчій перспективі більш реальною за думкою деяких авторів, в широкомасштабному індустріальному застосуванні в телекомунікаційних мережах бачиться менша кількість мультиплексних каналів (до 16 при швидкості передачі до 2,4 і 10 Гбіт/с).

Інсталяція нових ВОЛЗ, або розвиток існуючих при переході на швидкості 2,4 та 10 Гбіт/с може здійснюватися з використанням усіх трьох видів ОВ. При виборі ОВ необхідно враховувати загальну вартість проекту, необхідні ємності каналів, надійність, складність системи, перспективи збільшення інформаційних потоків та інше. При цьому ключовими становляться методики корекції дисперсії в волоконно-оптичних системах. Корекція дисперсії дозволяє при переході на технологію TWDM збільшувати довжину TDM систем, яка раніше обмежувалась великою дисперсією, та одночасно запобігати впливу нелінійного чотирьоххвилевого зміщування. Згідно з та існують три методики корекції дисперсії:

Використання ОВ з компенсуючою дисперсією. Позитивна дисперсія однієї ділянки на волокні SF може компенсуватися на наступній ділянці з волокном DSF із заздалегідь підібраним значенням від'ємної дисперсії, в результаті чого сумарна хроматична дисперсія може бути наближена до нуля.

Використання оптичних лазерних передавачів з дуже вузькою спектральною шириною випромінювання, здібних модулювати випромінювання на частотах в декілька ГГц.

Використання волокон NZDSF.

Хоча перші дві методики дозволяють збільшити довжину ділянки приблизно в 1,5 рази (при швидкості передачі 2,4 Гбіт/с), але при побудові нових мереж за технологією TWDM перевагу необхідно все ж надавати волокнам NZDSF.

Компенсація дисперсії може вимагати додаткового підсилення, щоб подолати загасання.

Размещено на Allbest.ru

...