Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Развитие волоконно-оптических линий связи. Учебное пособие для СПО
.pdf
61
6. Развитие оптических световодов
Характеристики
ОМ 4
ОМ 5
λo, нм
1295 - 1310
1297 - 1328
So, пс/(нм2·км)
0,105
0,211-0,225
OFL, МГц·км
3500
3500
EMB, МГц·км
λ = 850 нм
4700
4700
λ = 953 нм - 2470
α, дБ/км
λ = 850 нм
3,5
3
6.1. Многомодовые оптические световоды
Возрастающая потребность в пропускной способности
внутриобъектовых сетей предприятий и центров обработки данных, облачных
вычислений и веб-сервисов продолжает быть стимулом к увеличению
скорости передачи с 10 Гбит/с до 40, 100 и выше Гбит/с.
Многомодовые оптические световоды сегодня успешно справляются с
задачей передачи данных на типичные для указанных приложений расстояния.
Согласно ISO11801 были стандартизированы многомодовые световоды ОМ1,
ОМ2, ОМ3, ОМ4 и ОМ5, но на сегодняшний день типы многомодовых
световодов ОМ1 и ОМ2 устарели и допускаются только для расширения уже
существующих сетей. Тип многомодового световода ОМ3, разработанного в
2003 году для лазерного источника, работающего на длине 850 нм, позволил
увеличить скорость передачи до 10 Гбит/с с макимально допустимой длиной
линии до 100 м. В 2009 году был разработан тип многомодового световода
ОМ4, позволяющий увеличить расстояние передачи со скоростью 10 Гбит/с до
550 м, а в 2012 году применение на сети источника VCSEL позволило
увеличить скорость передачи до 100 Гбит/с с ограничением длины линии до
180м. В 2017 году разработан тип многомодового световода ОМ 5,
работающий в диапазоне 850-950 нм с увеличенной эффективной модовой
широкополосностью EMB до 4700 МГц·км. Основные характеристики
световодов типа ОМ 4 и ОМ 5 приведены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 – Основные характеристики световодов типа ОМ 4 и ОМ 5
6.2. Фотонно-кристаллическое волокно
Фотонно-кристаллическое волокно (PCF ) – это класс оптического
волокна, сформированного на основе свойств фотонных кристаллов. Впервые
он был исследован в 1996 году в Университете Бата в Великобритании.
Благодаря своей способности ограничивать свет в полых сердцевинах или с
характеристиками ограничения, невозможными в обычном оптическом
волокне, PCF теперь находит применение в волоконно-оптической
связи, волоконных лазерах, нелинейных устройствах, мощная передача,
высокочувствительные датчики газа и другие области. Более конкретные
категории PCF включают оптоволокно с фотонной запрещенной зоной (PCF,
ограничивающее свет за счет эффектов запрещенной зоны), дырчатое волокно
62
(PCF, использующее воздушные отверстия в поперечном сечении), дырчатое
волокно, волокно (PCFs, направляющие свет с помощью обычного сердечника
с более высоким показателем преломления, модифицированного наличием
воздушных отверстий), и волокно Брэгга (волокно с фотонной запрещенной
зоной, образованное концентрическими кольцами многослойной пленки).
Фотонно-кристаллические волокна можно рассматривать как подгруппу более
общего класса микроструктурированных оптических волокон, в которых свет
направляется структурными модификациями, а не только различиями
показателей преломления [11-12].
Как правило, такие волокна конструируются теми же методами, что и
другие оптические волокна: во-первых, один конструирует преформу в
масштабе сантиметров, а затем нагревает преформу и вытягивает ее до гораздо
меньшего диаметра (часто почти такого же размера, как человеческий волос),
уменьшая поперечное сечение преформы, но (обычно) сохраняя те же
функции. Таким образом, из одной преформы можно производить километры
волокна. Самый распространенный метод включает в себя штабелирование,
хотя для создания первых апериодических конструкций использовалось
сверление / фрезерование. Это послужило последующей основой для
производства первых волокон со структурой мягкого стекла и полимера.
Большинство фотонно-кристаллических волокон было изготовлено
из кварцевого стекла, но другие стекла также использовались для получения
определенных оптических свойств (таких как высокая оптическая
нелинейность). Также растет интерес к их изготовлению из полимера, где
было исследовано большое разнообразие структур, включая структуры с
градиентным показателем преломления, волокна с кольцевой структурой и
волокна с полой сердцевиной. Эти полимерные волокна были названы
"MPOF", сокращенно от микроструктурированных полимерных оптических
волокон (van Eijkelenborg, 2001). Комбинация полимера и халькогенидного
стекла была использована Temelkuran et al. (2002) для длин волн 10,6 мкм (где
диоксид кремния не является прозрачным) [11-12].
Фотонно-кристаллические волокна можно разделить на два режима
работы в соответствии с их механизмом ограничения. Те, у кого есть
сплошная сердцевина или сердцевина с более высоким средним показателем,
чем у микроструктурированной оболочки, могут работать по тому же
принципу направления показателя преломления, что и обычное оптическое
волокно, однако они могут иметь гораздо более высокую эффективность –
контраст показателя преломления между сердцевиной и оболочкой и,
следовательно, может иметь гораздо более сильное ограничение для
приложений в нелинейных оптических устройствах, поддерживающих
поляризацию волокнах (или они также могут быть изготовлены с гораздо
более низким эффективным показателем контраст). В качестве альтернативы
можно создать световод с «фотонной запрещенной зоной», в котором свет
ограничивается фотонной запрещенной зоной, создаваемой
микроструктурированной оболочкой: такая запрещенная зона, правильно
спроектированная, может ограничивать свет в сердцевине с более низким
63
показателем преломления и даже в полой сердцевине. Волокна с полыми
сердцевинами потенциально могут обойти ограничения, накладываемые
доступными материалами, например, для создания волокон, направляющих
свет с длинами волн, для которых недоступны прозрачные материалы
(поскольку свет в основном находится в воздухе, а не в твердых материалах).
Еще одно потенциальное преимущество полого сердечника состоит в том, что
в него можно динамически вводить материалы, например газ, который должен
быть проанализирован на наличие какого-либо вещества. PCF также можно
модифицировать, покрывая отверстия золь-гелями из аналогичного или
другого материала с показателем преломления, чтобы улучшить его
пропускание света.
Общие характеристики ФКВ:
− широкий диапазон изменений площади Sмп;
− D ≈ 0,002 нс/нм·км λ =1,3 – 1,5 мкм;
− D = 2000 нс/нм·км;
− одномодовый режим в широком спектральном диапазоне;
− управление поляризацией сигнала;
− контролируемая локализация поля в воздушных отверстиях.
Фотонно-кристаллические волокна позволяют преодолеть ограничения,
свойственные стандартным оптическим волокнам и волноводам. Существуют
ФКВ, обладающие многими необычными свойствами, например:
• ФКВ, в которых одномодовый режим распространения света
спектрально не ограничен;
• ФКВ с запрещенной зоной, поддерживающие волноводный режим
распространения света в воздушной сердцевине;
• ФКВ с большой или, наоборот, с очень малой эффективной
площадью моды;
• сверхвысоконелинейные ФКВ;
• поддерживающие поляризацию ФКВ с очень сильной
анизотропией;
• ФКВ с нулевой дисперсией на любой длине волны в видимом и
ближнем ИК-диапазонах.
Одно из важнейших практических применений ФКВ – создание на их
основе генераторов суперконтинуума (конвертации лазерного излучения в
излучение с широкой полосой спектра, т.е. низкой временной когерентностью,
с сохранением высокой пространственной когерентности) и получения
оптических гребенок. Для генерации суперконтинуума требуется наличие
следующих условий:
− малый диаметр сердцевины;
− большой диаметр отверстий;
− однослойная оболочка;
− смещение длины волны нулевой дисперсии в любую точку спектра;
− тонкие кварцевые перегородки.
64
В настоящее время созданы интегральные волноводы на основе
фотонных кристаллов ниобата лития. Изготовление интегральных волноводов
базируется на методе ионного травления. Формируется световод, обладающий
фотонной запрещенной зоной и работающий в диапазоне длин волн от 1200 до
1600 нм.
Таким образом, ФКВ формируется:
− со сплошной сердцевиной малого диаметра, с одним кольцом
капилляров, имеющих достаточно большой диаметр, что обеспечивает
высокую нелинейность и малую дисперсию. В данном типе ФКВ за счет
контроля показателя преломления волноводная дисперсия компенсирует
материальную и длину волны нулевой дисперсии можно сместить в любую
точку оптического спектра. Создаются условия генерации белого света
высокой яркости, т.е. суперконтинуума;
− с полой сердцевиной и наличием фотонной запрещенной зоны,
обладающее малыми потерями и возможностью смещения длины волны
нулевой дисперсии в видимую область. Создаются условия солитоной
передачи.
Оптический солитон – импульс в виде одиночной волны
колокообразной формы, образующийся в оптическом волокне при наличии
определенной нелинейной зависимости показателя преломления от
интенсивности излучения когерентного источника. При данной зависимости
высокочастотные составляющие импульса смещаются к «хвосту», а
низкочастотные к «голове» импульса, что позволяет устранить хроматическую
и поляризационно-модовую дисперсию. Такой импульс может сохранять
форму и ширину по всей длине линии.
Таким образом, уникальность солитонов состоит в том, что дисперсия
групповой скорости, которая определяется длительностью импульса,
уравновешивается нелинейным изменением показателя преломления.
Нелинейность проявляется в виде эффектов вынужденного рассеяния SBS,
фазовой самомодуляции волн SPM и вынужденного комбинационного
рассеяния SRS.
Солитоны именно взаимодействуют между собой, вначале
деформируясь, а затем восстанавливая свои исходные параметры. В связи с
этим на солитоны возлагаются большие надежды в целях их широкого
использования в системах оптической связи. С укорочением длительности
солитона может увеличиваться пропускная способность соответствующих
информационных систем. Таким образом, солитон – это нелинейность плюс
дисперсия [13].
Солитоны могут распространяться на значительные расстояния
практически без искажений формы импульса и сохраняются при столкновении
друг с другом. Но необходимо учитывать, что важным условием
существования солитона является усиление в процессе передачи, т.е. линия
должна быть построена с учетом усилителей. Для усиления сигнала могут
быть установлены рамановские усилители с накачкой на длине волны, не
равной рабочей длине волны несущей или эрбиевые усилители, в которых
65
усиление происходит не на всей длине линии, а непосредственно в усилителях
с меньшим коэффициентом усиления.
6.3. Квантовые сети
Квантовая сеть – это телекоммуникационная сеть, передающая
защищенные данные с помощью законов квантовой механики. К основным
достоинствам квантовой сети относится:
− увеличение дальности передачи;
− формируется защищенная сеть.
Основные законы квантовой физики перечислены ниже:
– принцип неопределенности Гейзенберга, который устанавливает
предел точности при одновременном определении двух состояний. То есть,
чем точнее определяется характер одной частицы из пары, тем менее точно
можно определить (измерить) вторую;
– теорема о запрете клонирования. Согласно этой теореме, оптические
усилители, которые можно использовать в стандартных оптических сетях,
запрещены в квантовых сетях, т.к. при измерении фотона, его состояние
разрушается.
В квантовых сетях для передачи сообщений используются кубиты –
пара фотонов, состояния которых изначально не известно (базисная плоскость
поляризации). Основа квантового кубита – поляризованный фотон, состояние
которого невозможно прочитать дважды. По мере перемещения по
оптическому каналу состояние кубита меняется и его состояние меняется при
повторной попытке прочтения (измерения) кубита. У связанных фотонов
плоскости поляризации ортогональны, причем направление колебаний
распространяющейся электромагнитной волны может быть вверх – вниз
(вертикальное направление), или вправо – влево (горизонтальное
направление). Если у пары фотонов (кубита) при измерении первого фотона
получена вертикальная плоскость поляризации, то у второго фотона
однозначно будет горизонтальная плоскость поляризации.
У кубита учитывается еще один важный параметр – время
когерентности, в течение которого заданное квантовой состояние сохраняется.
Таким образом, у стандартных сетей существует два определенных
состояния: 0 или 1. Суперпозиция состояний двух фотонов не определена,
пока не будет измерено состояние одного из фотонов (изначально предсказать
состояние невозможно). Как выше было отмечено, усилители в квантовых
сетях не используется, поэтому вместо данных устройств используется
квантовые повторители, функция которых состоит в приеме информации,
расшифровки ее, далее повторное кодирование и отправление получателю
(квантовая телепортация). Теорема о запрете клонирования не позволяет
избыточность, поэтому для защиты в квантовых сетях используются методы:
– передача информации через многократно запутанные кубиты;
– использование квантового распределения ключей.
66
Первые квантовые сети были введены в эксплуатацию в 2010 в США,
дальность которой ограничивалась 40 км. В 2016 году была введена квантовая
сеть между Шанхаем и Хэфэй длительность 721 км, а в 2017 году квантовая
сеть была проложена между Пекином и Веной, длительностью 1200 км. В
2020 году Китай ввел в эксплуатацию квантовую сеть длительностью 4500 км,
которая включает две станции космической связи и 700 оптических сегментов,
а количество юридических абонентов сети более 150.
К основным достоинствам квантовой сети относится увеличение
дальности передачи, надежная защита информации, т.к. любые попытки
несанкционированного съема информации приведут к разрушению фотона, о
чем будет немедленно информирован получатель.
67
7. Контрольные вопросы и задачи
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какими преимуществами обладают волоконно-оптические линии связи?
2. Что включает в себя волоконно-оптическая линия связи?
3. Каковы недостатки волоконной оптики?
4. На какие виды можно разделить пассивные оптические материалы по
спектральному диапазону?
5. Какие типы стекол используются для изготовления активного материала?
6. Как формируется двухслойное кварцевое стекло?
7. Этапы современного производства оптических волокон.
8. Методы, основанные на процессе химического парафазного осаждения.
9. Процесс вытяжки волокна.
10. Расчет механической прочности волокна.
11. Конструкция защитных оболочек ОК.
12. Конструкция оптического волокна.
13. Анализ распространения излучения по световоду. Расчет нормированной
частоты, диаметра модового поля, длины отсечки.
14. Виды потерь в оптических волокнах.
15. Зависимость собственных потерь ОВ от длины волны.
16. Эмпирический расчет коэффициента затухания.
17. Дисперсионные характеристики оптических волокон.
18. Компенсация полной дисперсии в линии передачи.
19. Потери при соединении оптических волокон.
20. Оптические параметры световодов.
21. Передаточные параметры световодов.
22. Поляризационно-модовая дисперсия.
23. Нелинейные эффекты в волоконной оптике.
24. Эффект Керра.
25. Рассеяние Бриллюэна.
26. Рассеяние Рамана.
27. Виды соединений ОВ.
28. Типы разъемов в волоконной оптике.
29. Конструкция ОК.
30. Маркировка ОК.
31. Механические воздействия на ВОК.
32. Эмпирический расчет допустимых тяговых усилий.
33. Расчет тяговых усилий при подвесе ОК.
34. Многомодовые оптические световоды.
35. Фотонно-кристаллическое волокно.
36. Квантовые сети.
37. Требования стандартов к многомодовым оптическим волокнам.
38. Требования стандартов к одномодовым оптическим волокнам.
68
Задачи для самопопроверки
кммкмдБ /
4
1. Определить количество мод в градиентном световоде с параболическим
профилем показателя преломления, если показатель преломления на оси
свтовода равен 1,48; показатель преломления оболочки 1,46; диаметр
сердцевины 50 мкм; диаметр оболочки 125 мкм; рабочая длина волны 1300
нм.
2. Определить величину межмодовой дисперсии в световоде с
параболическим профилем показателя преломления, если показатель
преломления на оси свтовода равен 1, 466; показатель преломления
оболочки 1,452, диаметр сердцевины 50 мкм, длина световода 14 км.
3. На сколько изменится число мод при изменении диаметра сердцевины в
пределах нормы для градиентного кабеля с параболическим ППП, с
диаметром сердцевины 62,5 мкм, если показатель преломления оболочки
равен 1,47; относительная разность показателей преломления
сердцевина/оболочка 0,01; кабель работает в первом окне прозрачности.
4. Определить, на какую величину изменится собственный коэффициент
затухания в оптическом волокне, если передача сигналов будет
осуществляться не во втором, а в первом окне прозрачности. Показатель
преломления оболочки двухслойного оптического волокна равен 1,49;
относительная разность показателей преломления сердцевина/оболочка
0,01; тангенс угла диэлектрических потерь 10Е(-11), коэффициент
рассеяния равен 0,8
.
5. Определить, во сколько раз отличается величина нормированной частоты в
оптическом волокне оптического кабеля с диаметром сердцевины 62,5 мкм
с показателем преломления на оси оптического волокна равна 1,475;
относительная разность показателей преломления равна 0,01 от
нормированной частоты в оптическом кабеле с диаметром сердцевины 10
мкм с показателем преломления сердцевины 1,46; относительной
разностью преломления равной 3%. Оба кабеля работают во втором окне
прозрачности.
6. Определить, во сколько раз отличается величина нормированной частоты в
оптическом волокне оптического кабеля с диаметром сердцевины 50 мкм
от нормированной частоты в оптическом кабеле с диаметром сердцевины
10 мкм, если в обоих кабелях показатель преломления сердцевины 1,49, а
относительная разность показателей преломления сердцевина/оболочка
равна 0,01, оба кабеля работают во втором окне прозрачности.
7. Рассчитать максимальную допустимую растягивающую механическую
нагрузку на подвесной ОК, если: полная нагрузка от веса кабеля, гололеда
и ветра, Р = 121,6 кг/м; максимальная длина пролета между опорами ЛЭП,
L = 200 м; стрела провеса f (2% от длины пролета L), м.
8. Рассчитать единичную нагрузку на ОК от веса гололеда, если: диаметр
кабеля, dk = 12,2 мм; удельный вес гололеда, = 0,910 -3 кг/см3; толщина
стенок гололеда, с = 3 мм.
9. Рассчитать единичную нагрузку от ветра на ОК без гололеда, если:
69
скорость ветра (максимальная для района проектирования); V=3,2
м/с;коэффициент, учитывающий неравномерность давления ветра по
пролету, =0,85 м/с; коэффициент, учитывающий влияние длины пролета
на ветровую нагрузку: 1,2 – при длине пролета 50 м; 1,1 – при 100 м; 1,05 –
при 150 м; 1,0 – при 250 м; промежуточные значения определяются
интерполяцией. В расчетах принять Сх =200 м.
10. Оценить необходимость учета вынужденного рассеяния оптического
излучения при использовании в качестве передающей среды оптическое
волокно стандарта G.652 с радиусом модового поля 5,2 мкм, уровень
мощности излучения на выходе источника оптического излучения
составляет 15 дБм, ширина полосы источника излучения 1 МГц. Учесть
длину взаимодействия при нелинейных искажениях 20 км.
11. Оценить необходимость учета вынужденного рассеяния оптического
излучения при использовании в качестве передающей среды оптическое
волокно стандарта G.653 с диаметром модового поля 6,2 мкм, уровень
мощности излучения на выходе источника оптического излучения
составляет 15 дБм, ширина полосы источника излучения 1 МГц. Учесть
длину взаимодействия при нелинейных искажениях 20 км.
12. Определить потери при соединении двух одномодовых оптических
волокон PureBand
TM
(G.652С), если диаметр модового поля передающего
оптического волокна больше, чем номинальный диаметр модового поля на
λ = 1310 нм на 0,8 мкм, а диаметр модового поля приемного волокна
меньше, чем номинальный диаметр на 0,4 мкм.
13. Определить радиус модового поля, если коэффициент нелинейности,
учитываемый при эффекте Керра равен 1,3 (Вт·км)-1, нелинейный
коэффициент преломления равен 2,2·10
-20
м2/Вт. Передача оптического
излучения осуществляется по оптическому волокну стандарта G.652 на
длине волны 1550 нм.
14. Определить максимальную скорость передачи, ограниченную разностью
групповых запаздываний поляризационных мод, если разность показателей
преломления равна 1,5·10-7, длина регулярности двулучепреломления 5 м;
полная длина линии 100 км. Учесть, что битовый коэффициент ошибок
равен 10
-12
.
15. Определить срок службы оптического волокна длиной 20 км, если
относительное удлинение волокна в процессе перемотки составляет 1%;
относительное удлинение волокна в процессе эксплуатации составляет
0,4%; параметр, характеризующий скорость роста трещин равен 20. Учесть,
что количество обрывов волокна на единицу длины в процессе перемотки
волокна равно 0,03 км-1; вероятность разрушения волокна в процессе
эксплуатации составляет 0,001; статистический параметр Вейбулла равен
40; время действия нагрузки при перемотке 1 сек.
16. Оценить вариацию коэффициента удельной хроматической дисперсии в
диапазоне Е, если максимальная величина наклона кривой коэффициента
хроматической дисперсии на длине волны нулевой дисперсии равна 0,093
пс/нм2·км, а длина волны нулевой дисперсии 1324 нм.
70
17. Определить радиус модового поля, если коэффициент нелинейности,
учитываемый при эффекте Керра равен 4,0 (Вт·км)-1, нелинейный
коэффициент преломления равен 3,2·10
-20
м2/Вт. Передача оптического
излучения осуществляется по оптическому волокну стандарта G.652 на
длине волны 1550 нм.
18. Оценить превышение конечной ширины импульса на выходе оптического
волокна максимально допустимой величины уширения импульса. Битовая
скорость передачи по оптическому волокну 10 Гбит/с; ширина импульса на
выходе источника излучения равна 10 пс; максимальная ширина
спектральной линии 1 нм; дальность передачи 100 км.
19. Определить поляризационно модовую дисперсию, накопленную на 8
участках оптической линии связи. На всех участках разность показателей
преломления поляризационных мод равна 5·10-7, длина регулярности
двулучепреломления 25 м. Полная длина линии составляет 100 км, а
каждый участок равен строительной длине кабеля; всего на трассе 16
сварных соединений.
20. Определить потери при соединении двух одномодовых оптических
волокон PureBand
TM
(G.655), если диаметр модового поля передающего
оптического волокна больше, чем номинальный диаметр модового поля на
λ = 1550 нм на 0,9 мкм, а диаметр модового поля приемного волокна
меньше, чем номинальный диаметр на 0,3 мкм.
21. Оценить разброс коэффициента рассеяния в диапазоне Е и в диапазоне О,
если средние потери за счет релеевского рассеяния в заданном диапазоне
равны 0,33 дБ/км. Сравнить полученные значения и сделать вывод.
22. Согласно IEC определить допустимые максимальное и минимальное
значения удельной хроматической дисперсии для оптического световода
стандарта B4_d в диапазонах длин волн 1460-1550 нм и 1550-1625 нм.
Привести основные характеристики световода.
23. Согласно IEC определить допустимые максимальное и минимальное
значения удельной хроматической дисперсии для оптического световода
стандарта B5 в диапазонах длин волн 1460-1550нм и 1550-1625 нм.
Привести основные характеристики световода.
24. Согласно IEC определить типы световодов для внутриобъектовой
прокладки с допустимыми радиусами изгиба равными 10 мм и/или 30 мм,
которые могут обеспечить передачу данных с допустимым коэффициентом
ошибок. Привести основные характеристики световодов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]