Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
Влияние края инфракрасной полосы поглощения становится
значительным на длинах волн свыше 1,5 мкм [7]. Создаваемые ими потери
обусловлены наличием характерных периодов колебания в межатомных
связях окислов, соответствующих следующим фундаментальным частотам:
Si-O 9,0 мкм, Ge-O 11,0 мкм, P-O 8,0 мкм, B 7,3 мкм. С этой точки зрения
германий должен быть самой благоприятной примесью из-за большей длины
волны, соответствующей периоду колебаний связи Ge-O. Поглощение,
вызываемое наличием паров воды, обусловлено основным периодом
колебаний межатомной связи О-Н. Свой вклад в затухание ОВ вносит
релеевское рассеивание. Потери на релеевское рассеяние в волокне вызы-
ваются рассеянием света на микронеоднородностях с размерами меньшими
длины волны света в волокне, которые возникают в процессе изготовления
волокна вследствие флуктуаций плотности и состава кварцевого стекла.
Постепенно, с развитием технологии очистки кварцевого стекла стала
доступна вся область малых потерь от 1260 нм до 1675 нм. Первое окно
прозрачности использовалось в 70-х годах XX века в первых линиях связи с
использованием многомодовых волокон. В то время источники излучения на
полупроводниковой основе выпускались только для длины волны 850 нм. В
настоящее время данное окно в связи с большими потерями в волокнах
используется в основном для локальных вычислительных сетей. Второе окно
прозрачности начали использовать в 80-х годах, в эпоху развития
источников излучения на базе тройных и четвертных гетероструктур, в данное
время оно используется в городских и зоновых линиях. Третье окно стало
осваиваться в начале 90-х годов [7]. В него попадают одновременно и
полоса усиления (для волоконного усилителя, легированного эрбием), и
абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Это окно наиболее
широко используется в магистральных линиях (например, в системах
Ростелекома и др. крупных операторов связи).
В последние годы в связи с развитием систем мультиплексирования
каналов по длинам волн вызывают интерес третье и прилегающие к нему
четвертое и пятое окна прозрачности. В зарубежной литературе диапазоны
длин волн, соответствующие этим трем окнам, получили специальные
наименования: третье окно (С) стандартный диапазон (Conventional band),
четвертое окно – (L) длинноволновый диапазон (Long band), а пятое окно –
(S)коротковолновый диапазон (Shot band) (рисунок 1.8). В таблице 1.1
представлены новые спектральные диапазоны в интервале длин волн
1260 – 1675 нм, утвержденные Международным союзом телекоммуникаций.
12
Таблица 1.1
Спектральные диапазоны окон прозрачности
.
1.4. Дисперсия и ее виды
При передаче полезного информационного сигнала по оптическому
волокну важную роль играет не только затухание оптической мощности по
мере распространения сигнала, но и искажение формы сигнала за счет
дисперсии различного рода. Дисперсией оптического волокна называют
рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического
сигнала. Основная причина дисперсии – разные скорости распространения
отдельных составляющих оптического сигнала. Дисперсия проявляется как
уширение, увеличение длительности распространяющихся по волокну
оптических импульсов. В свою очередь дисперсия создает переходные помехи,
приводит к межсимвольной интерференции и, соответственно, ошибкам при
приеме сигналов, что ограничивает скорость передачи в линии или, иными
словами, длину регенерационного участка (РУ).
13
Межмодовая дисперсия
Рисунок 1.9 - Межмодовая дисперсия в ОВ
Межмодовая дисперсия (рисунок 1.9) характерна только для
многомодовых оптических волокон. Она возникает в многомодовых
световодах из-за наличия большого числа мод с различным временем
распространения за счет различной длины пути, который отдельные моды
проходят в сердцевине волокна (рисунок 1.10 ). Очевидно, что в одномодовых
ОВ межмодовая дисперсия не проявляется. Одними из основных факторов
искажений сигналов, распространяющихся по одномодовым оптическим
волокнам, являются хроматическая и поляризационная модовая дисперсии.
14
Рисунок 1.10 - Межмодовая дисперсия: а) – в ступенчатом многомодовом ОВ;
б) – в градиентном многомодовом ОВ; в) – в ступенчатом одномодовом ОВ
Хроматическая дисперсия
Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра
излучения лазера и различием скоростей распространения отдельных
спектральных составляющих оптического сигнала [7]. Хроматическая
дисперсия складывается из материальной и волноводной дисперсии и
проявляется как в одномодовых, так и многомодовых оптических волокнах
(рисунок 1. 11).
15
Рисунок 1.12 - Спектральная зависимость коэффициента
материальной дисперсии чистого кварца (сплошная кривая) и кварца,
легированного 13,5% германия (штриховая кривая)
Рисунок 1.11 - Хроматическая дисперсия
Материальная дисперсия
Материальная дисперсия D
определяется дисперсионными
mat
характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина оптического
волокна – кварца и легирующих добавок.
16
В качестве примера, на рисунке 1.12 представлены спектральные
(а)
(б)
(в)
(г)
Рисунок 1.13 - Распространение спектральных составляющих сигнала:
(а) импульс на входе; (б) нормальная дисперсия; (в) аномальная дисперсия;
(г) область нулевой дисперсии
характеристики коэффициентов материальной дисперсии чистого кварца и
кварца, легированного 13,5% германия. Очевидно, что характер проявления
материальной дисперсии зависит не только от ширины спектра излучения
источника, но и от его центральной рабочей длины волны. Так, например, в
области третьего окна прозрачности l = 1550 нм менее длинные волны
распространяются быстрее, чем более длинные, а материальная дисперсия
больше нуля (D
>0). Данный диапазон получил название области нормальной
mat
или положительной дисперсии (рисунок 1.13б). В области первого окна
прозрачности l = 850 нм, напротив, более длинные волны распространяются
быстрее, чем короткие, а материальной дисперсии соответствует отрицательное
значение (D
<0) [7]. Данный диапазон называется областью аномальной или
mat
отрицательной дисперсии (рисунок 1.13в).
В некоторой точке спектра, называемой точкой нулевой материальной
дисперсии l0, происходит совпадение, при этом и короткие, и длинные волны
распространяются с одинаковой скоростью (рисунок 1.13г). Так, например, для
чистого кварца SiO2 точка нулевой материальной дисперсии соответствует
длине волны 1280 нм (рисунок 1.12).
17
Рисунок 1.15 - Хроматическая дисперсия оптических волокон
Волноводная дисперсия
Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой
скорости распространения моды от длины волны, характер которой
определяется формой профиля показателя преломления оптического волокна
(рисунок 1.14). Указанная зависимость определяется пространством,
занимаемым модой по отношению к профилю показателя преломления
волокна. Так, в ряде случаев в световодах с большим диаметром сердцевины
волноводной дисперсией можно пренебречь. В одномодовых оптических
волокнах из-за малого радиуса сердцевины, напротив, волноводная дисперсия
достаточно велика.
Рисунок 1.14 - Распределение интенсивности для различных
составляющих сигнала в ОВ
Результирующее значение хроматической дисперсии D
складывается из материальной D
представлено на рисунке 1.15.
, которое
ch
и волноводной Dw составляющих
mat
18
Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет
Рисунок 1.16 - Хроматическая дисперсия одномодовых
оптических волокон
соответствующим образом изменить итоговую спектральную характеристику
хроматической дисперсии. Так, в волокнах SSF, которые характеризуются
типовым ступенчатым профилем показателя преломления, преобладает
положительная материальная дисперсия, которая и формирует минимум
хроматической дисперсии в области длины волны 1300 нм (рисунок 1.16).
Профили показателя преломления волокон DSF и NZDSF сформированы
таким образом, чтобы компенсировать материальную дисперсию
отрицательной волноводной.
Здесь стоит рассмотреть типы ОВ сразличным профилем показателя
преломления. Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые
одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна
SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersionshifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией
NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber). В ступенчатом
одномодовом волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм
и сравним с длиной световой волны. Одномодовый режим в одномодовом
волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм.
Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и
обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в
этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки
зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда
хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь, это
19
не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют
0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается
в окне 1550 нм. В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF)
длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, длина волны нулевой дисперсии смещена в 1550 нм [6]. Такое смещение
достигается благодаря специальному профилю показателя преломления
волокна (рисунок 1.17).
Рисунок 1.17 - Профили показателя преломления в одномодовых ОВ
Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются
наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму
потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства
протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 200 и
более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к
1550 нм. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в
отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу
нескольких длин волн. Это волокно в пределах рабочего диапазона ВОСП-СР
(волоконно-оптическая система передачи со спектральным разделением
каналов) имеет небольшую, хорошо контролируемую удельную хроматическую
дисперсию от 3 пс/нм·км на длине волны 1530 нм до 7 пс/нм·км на длине волны
1560 нм. Такого значения дисперсии достаточно, чтобы подавить
четырехволновое смешение [7].
Поляризационная модовая дисперсия
Стремительное развитие техники оптической передачи информации в
последнее десятилетие привело к тому, что поляризационные эффекты в
волоконно-оптических линиях связи, еще недавно считавшиеся
20
незначительными, стали играть роль основного фактора, сдерживающего
дальнейшее увеличение скорости и дальности передачи информации. Главная
физическая причина появления – некруглость профиля сердцевины
одномодового волокна. Электрическое поле световой волны всегда можно
представить в виде суперпозиции двух ортогональных векторов или состояний
поляризации (рисунок 1.18). В идеальном изотропном волокне обе компоненты
распространяются с одинаковой скоростью, и в результате прохождения такой
среды длительность результирующего импульса остается такой же, что и на
входе в волокно. В волокне с анизотропным профилем появляются два
различных эффективных показателя преломления для соответствующих двух
определенных перпендикулярных линейных поляризаций (рисунок 1.19). Это
приводит к разным групповым скоростям распространения сигналов или мод с
такими поляризациями и появлению задержки приходящих составляющих
сигнала на приемной стороне.
Рисунок 1.18 - Распределение интенсивности и направление электрического
поля E в поляризационных модах волокна. w – диаметр моды, 2а – диаметр
сердцевины
Рисунок 1.19 - Поляризационная модовая дисперсия
21
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]