Тема 1.3.4 Параметры передачи оптических волокон

Затухание световых сигналов

Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его.

Потери на поглощение. При поглощении происходит преобразование световой энергии в тепловую.

Потери на поглощение состоят из собственного поглощения в ульт­рафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглощения световых квантов ионами металлов переходной группы (железа, кобальта, хрома, никеля, меди) и ионами гидроксильных групп, представляющих собой вредные примеси в плавленном кварцевом стекле, из которого изготовляют волокна. Например, медь при концентрации одна часть на миллион основного вещества вызывает затухание в несколько сотен децибел на километр в диапазоне длин волн 0,8 мкм, а такая же концентрация ионов ОН обуславливает затухание 35 дБ/км при длине волны 1,39 мкм. В зависимости от вида примеси особенно большое поглощение имеет место при определенных длинах волн, что может быть использовано для определения вида и контроля количества примесей в плавленом кварце.

Потери на рассеяние. Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молекулами или частицами под действием падающего на них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны, то рассеяние называется «рэлеевским». Эффект рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в однородной среде от прямолинейного направления). При этом угол падения луча на границу сердцевина — оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения и луч выйдет из волокна. По аналогичной причине часть лучей может начать распространяться в обратном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому, чем большая длина волны использована при передаче световых сигналов по оптическому волокну, тем меньше потери в нем на рэлеевское рассеяние.

Суммарные потери на рэлеевское рассеяние и собственное поглощение в оптическом волокне определяют теоретический минимум потерь в волокне.

Рисунок 88 - Зависимость затухания одномодового волокна от длины волны

На рисунке 88 приведена спектральная зависимость потерь одномодового световода, легированного германием, где показаны экспериментальная кривая 1 и теоретические кривые инфракрасного 2 и ультрафиолетового поглощения 3, рэлеевского рассеяния 4. Как видно из рисунка, в длинноволновой области спектра имеются два окна прозрачности — на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Поэтому эти длины волн используют в современных оптических системах дальней связи. Теоретический ми­нимум потерь для кварцевых ОВ на длине волны = 1,55 мкм около 0,14 дБ / км. При передаче по многомодовым волокнам используется первое окно прозрачности = 0,85 мкм и второе — = 1,3 мкм. Кварцевое стекло существенно поглощает свет на длинах волн свыше 1,6 мкм., что и обуславливает рост затухания в области длинных волн. Особенность оптического волокна как направляющей системы состоит в том, что в ней возникают дополнительные потери энергии передаваемого сигнала из-за микроизгибов, связанных с нанесением первичного покрытия, а также макроизгибов кабеля. Потери на изгибах. Пояснение возникновения потерь на изгибе дано на рисунок 89.

Рисунок 89 -Потери на изгибах оптического волокна

На прямолинейном участке луч света, распространяющийся под углом ф1, большим, чем предельный угол фпр, может падать на изгибе на границу сердцевина — оболочка под углом Ф2<ф . Угол уменьшается с уменьшением радиуса изгиба, поэтому потери на изгибе возрастают с уменьшением радиуса Потери на изгибах подразделяются на два вида: потери на микроизгибах и потери на макроизгибах. Снижение потерь на микроизгибах связано с совершенстваванием технологии производства оптического волокна.

Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна, который влечет за собой смещение волокна порядка нескольких микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых давлений на волокно по его длине. Он может быть вызван механическими деформациями при изготовлении кабеля и его прокладке, а также изменениями геометрических размеров материалов кабеля вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе эксплуатации. Для уменьшения потерь, обусловленных микроизгибом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к волокну вдоль его оси при изготовлении кабеля, а также во время и после прокладки кабеля.

Макроизгиб волокна является результирующим искривлением оптического волокна после изготовления и прокладки кабеля. Макроизгиб может вызвать увеличение оптических потерь. Оптические потери увели­чиваются с уменьшением радиуса изгиба. При правильной прокладке кабеля его затухание будет несколько меньше по сравнению со значением, измеренным на барабане, за счет меньших макроизгибов.

В реальных ОВ из-за большого числа случайных причин, приводящих к резкому возрастанию потерь, основным методом определения затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ на заданной длине волны и данные измерений заносят в паспорт.

Дисперсия импульсных световых сигналов

Одним из основных параметров, ограничивающих скорость передачи по любой направляющей системе, является ее ширина полосы пропускания. Количественно она может быть оценена с временной и частотной точек зрения. Оба подхода обладают равной полнотой и поэтому однозначно математически связаны. Другими словами, зная временные характеристики передаточной характеристики оптического волокна, можно рассчитать частотные характеристики и наоборот.

Термин «ширина полосы пропускания» относится к частотному описанию передаточных характеристик оптического волокна, аналогом этого термина при временном описании является дисперсия. В оптике слово «дисперсия» означает зависимость показателя преломления вещества от длины волны, а в оптических системах связи — уширение световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду. Уширение импульсов при передаче по ОВ зависит от формы передаваемого импульса, ширины спектра частот источника излучения (ДХ) и собственно дисперсии волокна, под которой далее понимается рассеяние во времени модовых или спектральных составляющих оптического сигнала. Количественно ширина полосы пропускания обратно пропорциональна дисперсии. Если полоса пропускания уменьшается, то дисперсия увеличивается. Таким образом, при частотном подходе оптическое волокно подобно фильтру нижних частот. Ширина полосы пропускания оптического волокна — это частота модуляции света, при которой передаточная функция ОВ уменьшается в два раза по сравнению с величиной при нулевой частоте. Под передаточной функцией понимается отношение амплитуды световой мощности на входе и выходе ОВ в зависимости от частоты модуляции.

В металлических кабелях симметричной и коаксиальной конструкции ограничение полосы пропускания возникает из-за зависимости затухания кабельной цепи от частоты. Для оптических волокон действует совершенно иной механизм ограничения полосы пропускания, а именно модовая и хроматическая дисперсии. Суммарную величину волноводной и материальной дисперсии принято называть хроматической дисперсией.

Дисперсию при передаче импульсов света через ОВ со скоростью передачи ниже 2,5 Гбит/с условно можно представить состоящей из трех составляющих:

- модовой дисперсии, обусловленной наличием нескольких мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью; при лучевом подходе неодинаковая длина пути отдельных лучей при их прохождении через ОВ;

- волноводной дисперсии, обусловленной нелинейной зависимостью коэффициента фазы b данной моды ОВ от длины волны (частоты) оптического излучения;

- дисперсии материала, связанной с нелинейной зависимостью показателя преломления материала ОВ от частоты, приводящей к различию фазовых скоростей распространения энергии у различных спектральных составляющих сигнала.

Доля различных составляющих в суммарной дисперсии зависит от типа волокна: в ступенчатых ОВ при многомодовой передаче преобладает модовая дисперсия; в градиентных многомодовых ОВ необходимо учитывать модовую дисперсию и материальную дисперсию; в одномодовых волокнах — материальную и волноводную дисперсию.

Суммарную величину волноводной и материальной дисперсии принято называть хроматической дисперсией.

Суммарное уширение импульсов (т) при распространении по волокну длиной L равно:

где м, в и мат — уширение соответственно вследствие модовой, волноводной и материальной дисперсии.

Модовая дисперсия

Расчетные соотношения для указанной дисперсии наглядно и просто получаются при лучевом подходе. Уширение импульса, передаваемого по ОВ, за счет модовой дисперсии в этом случае определяется, как разность длин пути лучей, распространяющихся по наикратчайшей и наидлиннейшей траекториям. Лучи света, введенные в ОВ со ступенчатым профилем под углом к оси (рис. 90), из-за многократных внутренних отражений на границе сердцевина-оболочка проходят более длинный путь по сравнению с лучами, распространяющимися вдоль оси ОВ. Наикратчайшим является путь, проходящий вдоль оси волокна и равный длине линии L, а наидлиннейший — L/cosθmax. Имея в виду, что скорость распространения света в сердцевине = с/ , имеющего наиболее длинную траекторию:

Отсюда уширение импульса:

Как видно из выражения ,уширение импульсов тем меньше, чем меньше относительная разность Д коэффициентов преломления сердцевины и оболочки ОВ. Из этой же формулы следует, что уширение импульсов пропорционально длине линии. Однако последнее справедливо только при отсутствии взаимодействия между модами. В реальных световодах при значительных длинах линии такое предположение ведет к большим погрешностям расчета модовой дисперсии. Связь между модами в реальном ОВ, вызванная неоднородностями показателя преломления, нерегулярностями геометрических размеров, напряжениями изгиба и растяжения, микротрещинами, разъемными и неразъемными соединениями отрезков ОВ, всегда имеет место и проявляется обменом энергии между модами. При лучевом подходе это эквивалентно изменению углов наклона лучей к оси световода при их распространении вдоль него.

Рисунок 90- Кратчайший и длиннейший путь луча в оптическом волокне со ступенчатым профилем

У входного торца световода наблюдается довольно интенсивное излучение мод, и соответственно стабилизируется модовая структура в сердечнике световода. При этом лишь на некотором расстоянии от входного торца световода, называемом длиной установившейся связи между модами (Ly), наступает относительно постоянное (равновесное) распределение мод, не зависящее от условий ввода излучения в световод.

Это расстояние может составлять от нескольких сот метров при ступенчатом профиле ОВ до нескольких километров при градиентном ОВ и зависит от материала и размеров сечения сердцевины ОВ, характера и числа введенных в него мод.

Поэтому соотношение при длине линии, превышающей длину Ly, имеет вид:

Модовая дисперсия импульса может быть существенно уменьшена за счет соответствующего выбора профиля показателя преломления. При параболической зависимости показателя преломления лучи, введенные в волокно под небольшим углом к оси, колеблются синусоидально относительно оси по мере распространения, и время распространения почти не зависит от угла вхождения луча, поскольку околоосевые лучи проходят меньший путь, но распространяются в среде с большим значением п, т.е. с меньшей скоростью, а периферийные лучи проходят более длинную траекторию, но в основном в среде с меньшим п, т.е. с большей скоростью. Таким образом, среднее время прохождения различных лучей через ОВ будет уравнено.

Волноводная дисперсия

Волноводная дисперсия — это расширение импульса, происходя­щее при ограничении света направляющей структурой (волокном). Тогда как почти вся световая энергия в многомодовом волокне сконцентрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых волокнах свет распространяется и в сердцевине и в оболочке. Единственная направляемая мода поэтому может рассматриваться как распространяющаяся со скоростью, определяемой эффективным показателем преломления, большим чем показатель оболочки, но меньшим показателя сердцевины. Так как диаметр модового поля увеличивается с ростом длины волны, то все больше энергии распространяется в оболочке с малым показателем преломления. В результате получается расширение импульса, зависящее от структуры волокна, т.е. — волноводная дисперсия.

В дисперсионной среде фазовая скорость распространения направ­ляемых мод в пределах спектра излучения источника неодинакова, что приводит к различной временной задержке частотных составляющих этих мод. Рассматриваемая составляющая дисперсии обусловлена волноводными свойствами волокна в предположении, что значения и не зависят от λ, и уширение импульса τв= λLB(λ), где В(λ) — удельная волноводная дисперсия.

Зависимость В(λ) от длины волны для одномодового волокна со смещенной дисперсией приведена на рисунке 91 (кривая 1).

1— волноводная дисперсия;

2— дисперсия материала;

2— хроматическая дисперсия.

Рисунок 91.- Дисперсионные характеристики одномодового волокна со смещенной дисперсией

Дисперсия материала

Дисперсию материала можно рассматривать как аналог расширения импульса при передаче его через большой блок стекла. Показатель преломления кварцевого стекла изменяется в зависимости от длины волны (подобно тому как стеклянная призма разлагает солнечный свет в цвета радуги,) и в результате этого различные длины волн распространяются с разными скоростями. Материальная дисперсия является основным механизмом, влияющим на хроматическую дисперсию в одномодовых и градиентных многомодовых волокнах.

В случае дисперсионной среды необходимо различать так называемые фазовую и групповую скорости света в среде.

Фазовая скорость уф дает соотношение между длиной волны и периодом колебаний Т.

Зависимость М (А) от А показана на рисунке 91 (кривая 2).

Доля различных составляющих в общей дисперсии зависит от типа волокна. В ступенчатых ОВ при многомодовой передаче преобладает межмодовая дисперсии. В одномодовых волокнах материальная и волноводная дисперсия при определенных условиях могут взаимно компенсироваться, что обусловливает большую пропускную способность одномодового волокна. В градиентных многомодовых ОВ необходимо учитывать межмодовую дисперсии и дисперсию материала.

Поляризационная модовая дисперсия

В одномодовом волокне в действительности может распростра­няться не одна мода, а две фундаментальные моды — две перпенди­кулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды рас­пространялись бы с одной и той же скоростью, рисунок 92, а. Однако на практике волокна имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных состав­ляющих мод, рисунок 92, б.

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии ( ) является некруглость сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна.

Из-за относительно небольшой величины может учитываться только в одномодовом волокне,

Рисунок 92 - Поляризационная модовая дисперсия а- волокно без дисперсии; б- волокно с дисперсией

причем когда используется передача широкополосного сигнала (скорость передачи 2,5 Гбит/с и выше). В этом случае поляризационная модовая дисперсия становиться сравнимой с хроматической дисперсией. Поляризационная модовая дисперсия может приводить к временным колебаниям амплитуды аналогового видеосигнала. В результате ухудшается качество телевизионного изображения или при передаче цифрового сигнала возрастает коэффициент ошибок.