Вопрос 18. Затухание в оптических волокнах. Затухание в оптических кабелях. Затухание в местах соединения оптических волокон.
По мере распространения света в оптической среде он ослабевает, что носит название затухание ОВ. На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощение; потери на рассеянии; кабельные потери.
Потери на поглощение и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями.
Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяются в виде суммы:
= int+ rad= abs+ sct+ rad;
Потери на поглощение abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных длинах волн (присущих данной примеси) и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулевского тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.
Потери на рассеяние sct. Уже в 1970г. изготовляемое оптическое волокно становится настолько чистым, что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует рэлеевское рассеяние света. Оно вызвано наличием в волокне неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.
Потери на Рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону λ-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн.
Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.
Кабельные (радиационные) потери rad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а так же в процессе инсталляции ВОК. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального изгиба, указанного в спецификации ВОК.
Вносимые потери – полные потери оптической мощности, вызванные внесением/наличием такого оптического элемента, как оптический разъем, сросток или разветвитель. ВП – отношение оптической мощности, подаваемой на входной порт к оптической мощности, излучаемой из любого выходного порта, выраженной в дБ.
Возвратные потери – часть входной мощности, которая возвращается из входного порта пассивного элемента.
Вопрос 19. Дисперсия, виды дисперсии: модовая, хроматическая, поляризационно-модовая. Ограничение длины регенерационного участка дисперсией.
Дисперсия – это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по ОВ и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов. По оптическому волокну передается не только световая энергия, а также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме.
Дисперсия нормируется в расчете на один километр и измеряется в пс/км.
Различают:
межмодовая τмод
хроматическая (материальная τмат и волноводная τв)
поляризационная модовая дисперсия.
Межмодовая дисперсия – характеризуется различием скоростей направляемых мод, имеет место только в многомодовом волокне. К приемному концу волокна энергия различных мод прибывает с какой то задержкой во времени по отношения к основной моде, что вызывает уширение принятого импульса и часть энергии попадает в битовый интервал соседнего бита, соседний бит будет принят с ошибкой.
Хроматическая материальная дисперсия – вызвана тем, что различные длины волн проходят через определенные материалы с различными скоростями. Известно соотношение, определяющее показатель преломления (n): N=c/v, где с - скорость света в вакууме, а v – скорость исследуемой волны в данном материале (кварц). Хроматическая материальная дисперсия – главная составляющая дисперсия в системах с одномодовым волокном.
Хроматическая волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны. Хр. волновая дисперсия обусловлена направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Хр. волновая дисперсия определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорционально ширине спектра излучения источника Δλ.
Существует два способа компенсации хроматической дисперсии:
волокно компенсирующее дисперсию – к работающей линии добавить волокно с большой дисперсией, коэффициент которой имеет противоположный знак, а величина примерно равна той, что накопилась в работающей линии.
компенсаторы на дифракционных решетках Брэгга , который работает как оптический фильтр.
Поляризационная модовая дисперсия. В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две основные моды. Одна из мод является доминантной и распространяется в горизонтальной плоскости вдоль оси Х, другая распространяется в вертикальной плоскости вдоль оси Y. Скорости распространения этих мод не одинаковы. Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления и эксплуатации волокна.
С увеличением длины дисперсия ОВ возрастает, а полоса пропускания уменьшается.
Предельный объем информации, который можно передать по волокну единичной длины, определяется его полосой пропускания Δf (Δf = 1/τ). Для оценки влияния дисперсии τ пользуются частотным эквивалентом этого понятия, называемый коэффициентом широкополосности.
Измеряется коэффициент широкополосности в МГц на км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W – это максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине 1 км.
Чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.