11. Пропускная способность оптических световодов.

Полоса пропускания оптического волокна. Как известно, предельный объем информации, который можно передать по волокну единичной длины, определяется его полосой пропускания. Поэтому в ряде случаев для оценки влияния дисперсии пользуются частотным эквивалентом этого понятия, имеющим размерность МГц·км и называемым коэффициентом широкопо-лосности

 При этом расчет полосы пропускания W можно выполнить по приближенной формуле :  

На рисунке показан характер зависимости дисперсии t и полосы пропускания Df от длины линии L типичного оптического волокна, из которого следует важный вывод, заключающийся в том, что с увеличением длины дисперсия ОВ возрастает, а полоса пропускания уменьшается.

Соотношение между полосой частот и дальностью передачи устанавливается:

Здесь значения с индексом х относятся к искомым значениям, Df₀ — полоса пропускания заданной длины L₀ (обычно L₀ =1 км и Df₀ называют нормированной полосой пропускания), L_c — длина установившейся связи мод.

При проектировании ВОЛС ее протяженность и полосу пропускания устанавливают исходя из значений дисперсии t и затухания a · L ОВ. Очевидно, что определение этих

параметров и является первостепенной задачей измерений на ВОЛС.

12. Типы оптических световодов. Рекомендации itu g.652, g.653, g.654, g.655, g.656, g.657.

Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют разные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF | (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi mode fiber).

Многомодовое ступенчатое волокно

Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника - это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями. 

13. В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже.

Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.

Многомодовое градиентное волокно

Н азвание волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды. 

В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.

Стандартное одномодовое ОВ

В одномодовых оптических волокнах диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны , и за счет этого в нем существует только одна направляемая мода LP_01.

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т в настоящее время различают четыре типа одномодовых оптических волокон

-волокна с нулевой дисперсией (G.652);

-волокна со смещенной дисперсией (G.653);

-волокна с ненулевой смещенной дисперсией (G.655);

-волокна с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных (G.656);

-волокна с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба (G.657).

Волокна с нулевой дисперсией характеризуются наиболее простой формой профиля показателя преломления - ступенчатый.

Длина волны нулевой дисперсии совпадает со вторым окном прозрачности (=1310 нм) - при этом коэффициент затухания не превышает 0,35 дБ/км, а коэффициент хроматической дисперсии D составляет менее 3,5 пс/(нм'км). Таким образом, эти волокна наиболее оптимальны для одномодовых ОСП, работающих во втором окне прозрачности. В свою очередь, достаточно большое значение хроматической дисперсии при =1550 нм, не смотря на малую величину 0,22 дБ/км, существенно ограничивает возможность использования этих волокон на скоростях 2,5 Гбит/с и выше. В этом случае для протяженных ВОЛП требуется включение компенсаторов дисперсии.

Волокна со смещенной дисперсией

В 1985г. был создано волокно со смещенной дисперсией (G.653). Длина вонны нулевой дисперсией у этого волокна смещена в область третьего окна прозрачности (=1550 нм) , которому соответствует минимальный коэффициент затухания. Смещение дисперсии достигается путем формирования профиля показателя преломления специальной формы

При спектральном уплотнении в области =1550 нм применение этих волокон приводит к существенным искажениям передаваемых сигналов. По этой причине их использование с аппаратурой WDM неприемлемо.

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией (G.655)

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией появились на рынке телекоммуникаций в 1993г.

Данный тип волокон характеризуется минимальным значением хроматической дисперсии в спектральной области третьего окнапрозрачности : 0,1...6 пс/(нм'км) в диапазоне волн 1530... 1565 нм. Управление дисперсией также осуществляется путем формирования W-образной формы профиля ОВ (их еще называют волокнами с двойной оболочкой).

Эти волокна были специально разработаны для применения на оптических сетях DWDM систем с оптическими усилителями. Отрицательное значение хроматической дисперсии достаточно велико, чтобы минимизировать нелинейный эффект четырехволнового смешения, и достаточно мало, чтобы выделить для каждого оптического канала скорось передачи в 10 Гбит/с на 250 км без установки компенсаторов дисперсии.

Волокна с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных (G.656)

Оптические волокна, соответствующие Рекомендации ITU-T G.656, предназначены для передачи широкополосного оптического сигнала на базе CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing - разреженное спектральное уплотнение или спектральное уплотнение с низкой плотностью) и DWDM . Первая редакция Рекомендации ITU-T была утверждена в 2006 г. и действует до настоящего времени. 

Эти волокна функционируют в широком диапазоне волн - от 1460 до 1625 нм. Величина затухания нормируется для различных диапазонов. Так, для длин волн 1460-1530 нм типичное значение составляет 0,35 дБ/км, для диапазона 1530-1565 нм -0,275 дБ/км, а для диапазона 1565-1625 нм - 0,35 дБ/км. Диаметр модового поля волокон для широкополосного оптического переноса у различных производителей варьируется от 7 до 11 мкм.

Волокна с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба (G.657)

Мировые тенденции развития волоконно-оптических технологий, обусловленные ростом информационных потоков не только от единичных пользователей, но и от пользовательских групп, привели к разработке одномодовых оптических волокон, характеризующихся малым уровнем потерь на изгибах. Преимущества таких световодов особенно очевидны при использовании в кабелях, предназначенных для прокладки внутри зданий и сооружений. Такие волокна описаны в Рекомендации ITU-T G.657. Первая редакция утверждена в 2006 году. 

Оптические волокна, удовлетворяющие требованиям Рекомендации, делятся на две категории: A и B, которые различаются диаметром сердцевины. Для волокон типа A он составляет от 8,6 до 9,5 мкм, а для волокон типа B - от 6,3 до 9,5 мкм. Нормы потерь на макроизгибах существенно ужесточены, поскольку этот параметр для G.657 является определяющим. Так, 10 витков волокна категории A, намотанного на оправку радиусом 15 мм, не должны увеличивать затухание более чем на 0,25 дБ при длине волны 1550 нм. Один виток того же волокна, намотанного на оправку диаметром 10 мм, при условии, что остальные параметры не изменены, не должен увеличивать затухание более чем на 0,75 дБ. Не допускается также увеличение волокнами категории B затухания на длине волны 1550 нм: 10 витков на оправке диаметром 15 мм - более чем на 0,03 дБ, один виток на оправке диаметром 10 мм - более чем на 0,1 дБ, один виток на оправке диаметром 7,5 мм - более чем на 0,5 дБ. 

Для сравнения, согласно Рекомендации ITU-T G.652 приращение затухания в стандартных одномодовых волокнах на 100 витках волокна, намотанного на оправку диаметром 600 мм, не должно превышать 0,5 дБ на рабочей длине волны (1550 и 1625 нм), а изгиб с радиусом 7,5 мм может привести к сколу волокна.

Такую возможность предоставляет принципиально новая конструкция с уменьшенными потерями на изгибах — микроструктурированные волокна типа HAF (holed assisted fiber). Уже рассмотренная выше идея создания двойного защитного барьера здесь исполнена методами нанотехнологий. Вокруг кварцевой сердцевины по периметру условного шестиугольника располагаются два кольца из полых воздушных сквозных отверстий, обеспечивающих полное внутреннее отражение на границе раздела кварц/воздух (рис. 1е, 2б). Второй слой нужен для отражения излучения, частично проникающего за пределы первой периодической структуры. Исследования показали, что при оптимальном подборе диаметра отверстий d и шага размещения первого и второго слоя L1, L2 можно получить потери менее 0,1 дБ на изгибе с радиусом до 5 мм!

Рис. 2. Конструкция и принцип действия микроструктурированных волокон типа HAF:

а — общая конструкция; б — поперечное сечение

 

 

Рис. 3. Действие стандартных одномодовых волокон и микроструктурированных

волокон типа HAF на изгибе: а — выход излучения на изгибах волокон G.652;

б — удержание излучения на изгибах волокон G.657

 

На рис. 3 показан механизм удержания излучения на изгибах в микроструктурированных волокнах. К сожалению, невозможно производить такие конструкции традиционными методами. Достаточно сложно обеспечить требуемое взаимное расположение всех структурных элементов и точно соблюсти их размеры. Несоблюдение внутренней геометрии может даже привести к нарушению одномодового режима. Все это значительно увеличивает удельную стоимость таких конструкций. Также существует серьезная проблема стыковки таких волокон (с диаметром модового поля около 6,4 мкм) как со стандартными волокнами G.652, так и между собой. Именно в месте сварного соединения наверняка будет нарушена структура воздушных отверстий в оболочке, хотя сохранится положение кварцевой сердцевины. И это важно, так как в месте сварки изгибов не будет (из-за наличия 60-милиметровой защитной гильзы), а в оставшейся части структура волокна останется прежней — с отверстиями.