Додаток d. Потужність сигналу, втрати і посилення

Мощность оптического сигнала измеряется в логарифмических единицах дБм (децибел к милливатту): уровню 0 дБм соответствует сигнал с мощностью 1 мВт. Иногда пользуются единицей дБмк: уровню 0 дБмк соответствует сигнал с мощ­ностью 1 мкВт.

Потери (loss) сигнала в каком-либо элементе определяются через отношение выходной мощности ко входной как

Знак «минус» перед логарифмом позволяет выражать затухание положитель­ными величинами. Тогда большее затухание будет соответствовать и большим потерям сигнала, что удобно при расчетах.

По мере распространения луча происходит его затухание, вызванное рассея­нием и поглощением. Поглощение — преобразование в тепловую энергию — про­исходит во вкраплениях примесей; чем чище стекло, тем эти потери меньше. Рассеяние — выход лучей из световода — происходит в изгибах волокон, когда лучи более высоких мод покидают волокно (см. рис. D.4). Рассеяние происходит и в микроизгибах, и на прочих дефектах поверхности границы сред.

Рис. D.4 Рассеяние света на изгибах

Для волокна указывают погонное затухание (дБ/км), и для получения значе­ния затухания в конкретной линии погонное затухание умножают на ее длину. Затухание имеет тенденцию к снижению с увеличением длины волны, но при этом зависимость немонотонна, что видно из рис. D.5 На нем видны окна про­зрачности многомодового волокна в областях с длинами волн 850 мкм и 1300 мкм. Для одномодового волокна окна находятся в диапазонах около 1300 и 1500-1600 мкм. Естественно, что с целью повышения эффективности связи ап­паратура настраивается на длину волны, находящуюся в одном из окон. Одномодовое волокно используется для волн 1550 и 1300 нм, при этом типовое погон­ное затухание составляет 0,25 и 0,35 дБ/км соответственно. Многомодовое волокно используется для волн 1300 и 850 нм, где погонное затухание — 0,75 и 2,7 дБ/км.

В оптической передаче самые сложные задачи связаны с концами и стыками волокон. Это генерация световых импульсов и ввод их в волокно, прием и детек­тирование сигналов, и «просто» соединение отрезков волокон между собой. Луч, падающий на торец волокна, входит в него не весь: он частично отражается об­ратно, часть проходящей энергии рассеивается на дефектах (шероховатости) по­верхности торца, часть «промахивается» мимо конуса, принимающего свет. То же самое происходит и на выходе луча из волокна. В итоге каждый стык вносит потери проходящего сигнала (типовое значение 0,1-1 дБ), а уровень отраженно­го сигнала может находиться в пределах -(15-60) дБ. Для снижения потерь и от­ражений применяют различные конструктивные ухищрения. Рассмотрим основ­ные источники неприятностей на стыках.

Рис. D.5. Зависимость затухания от длины волны

При прохождении луча через границу двух сред, различающихся по показате­лям преломления, происходит его частичное обратное отражение. Это отраже­ние, называемое френелевским, тем больше, чем больше различаются показатели преломления (неважно, в какую сторону). Для пары стекло-воздух потери на френелевском отражении при нормальном падении составляют 0,17 дБ. Таким образом, на стыке двух волокон с малейшим воздушным зазором потери только на этом отражении составят 0,34 дБ (стекло-воздух-стекло). В многомодовом режиме, когда свет падает на границе раздела не перпендикулярно, потери будут больше. Для устранения этого отражения в зазор между волокнами вводят кап­лю геля, совпадающего со стеклом по показателю преломления. В разъемных со­единениях обратное отражение снижают другими способами.

Потери в соединениях складываются из собственно затухания Loss _С и воз­можных потерь от несогласованности диаметров и апертур соединяемых элементов. Потери от несоответствия диаметров возникают, когда диаметр принимаю­щего элемента (D₂) меньше диаметра передающего элемента ( ). Тогда

Потери, рассчитанные по этой формуле, будут иметь положительное значение. При D₂>D₁ эти потери отсутствуют. Для многомодовых волокон в этой формуле участвуют диаметры сердцевин, для одномодовых — диаметры модового пятна.

Потери от несоответствия числовых апертур возникают, когда апертура при­нимающего элемента меньше диаметра передающего элемента . Тогда

При эти потери отсутствуют.

Поскольку реальные волокна не имеют идеально круглой концентрической формы сечения, при стыковке волокон потери возникают от некруглости и экс­центриситета стыкуемых волокон. Кроме того, потери вызываются и угловым отклонением осей волокон. Все эти дефекты, естественно, могут только увеличи­вать переходные потери. На рис. D.6, иллюстрирующем эти потери, заштрихова­ны эффективные области (и конус) передачи световой энергии — потери тем больше, чем меньше эти области. Если между сколами стыкуемых волокон оказывается воздушный зазор, то вносится дополнительное затухание, почти линейно возрастающее с увеличением зазора. Это явление используется в аттенюаторах (см. ниже). Чем больше апертура волокон, тем сильнее возрастает это затухание с увеличением зазора. Дополнительные потери возникают и от непараллельности плоскостей сколов, а также от шероховатости сколов.

Рис. D.6. Влияние ошибок взаимного расположения волокон на стыках:

а — некруглость,

б — эксцентриситет,

в — угловое отклонение осей

Как ни странно, волокно может вносить не только затухание, но и усиление сигнала. На основе отрезка оптоволокна, легированного эрбием, возможно созда­ние чисто оптического усилителя сигнала. Усилитель EDFA (erbium-doped fiber amplifier) увеличивает мощность проходящего оптического сигнала с длиной волны 1550 нм на 30-40 дБ за счет оптической энергии, поступающей от лазера накачки с длиной волны 980 нм. Такой усилитель проще в реализации, чем элек­тронный усилитель с приемником и передатчиком. Кроме того, поскольку он усиливает чисто оптический сигнал, не возникает проблем с быстродействием. Эрбиевые усилители применяют в длинных магистралях.