Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Развитие волоконно-оптических линий связи. Учебное пособие
.pdf
21
Поглощения в оптическом волокне вызваны квантовыми переходами
между молекулярными и электронными уровнями вещества. В чистом кварце
в коротковолновом диапазоне (λ < 0.14 мкм) электронный переход составляет
8.9 эВ, а в длинноволновой области (λ > 1.6 мкм) выражено колебание
молекулярных связей Si – O.
Рисунок 2.3 – Квантовые переходы между молекулярными и
электронными уровнями вещества
В оптическом волокне возникает поглощение за счет наличия
гидроксильных групп, что связано с методом изготовления волокна. Основной
пик поглощения приходится на длинноволновую область 2.7 мкм, но
гидроксильные группы имеют гармонические составляющие в областях длин
волн 1383 (1390); 1130; 950; 875; 825 и 725 нм на которых формируются
максимумы поглощения. На длине волны 1240 нм наблюдается всплеск за счет
комбинации гармоники 950 нм и основного резонанса матрицы SiO2 и
формируется разрыв межатомных связей [2,3].
Примерные величины потерь оптического излучения за счет поглощения
представлены ниже:
Собственное поглощение: 800 нм – 1600 нм < 0,1 дБ/км;
1300 нм – 1600 нм ≤ 0,03 дБ/км.
Поглощение, обусловленное наличием гармонических составляющих
гидроксильных групп (ОН): 720 нм – сотни дБ/км;
950 нм ≤ 1 дБ/км;
1390 нм - 35 дБ/км.
Взаимодействие гармонической составляющей гидрооксильной группы
с резонансной частотой кристаллической решетки кварцевого стекла дает пик
поглощения на длине волны 1240 нм. Величина потерь на этой длине волны
составляет 1,7 дБ/км;
На рисунке 2.4 представлена зависимость потерь за счет поглощения
оптического излучения от длины волны.
22
Рисунок 2.4 – Зависимость потерь за счет поглощения оптического
излучения от длины волны
Ниже представлены выражения для определения потерь на поглощение
кмдБ
E
он
он
/,
)(49
7
−+
=
; (2.6)
кмдБ
EррSEон
/),(−=
, (2.7)
где λ
SE
– максимальное затухание водяного пика в оптических волокнах;
λрр(λЕ) – затухание за счет Релеевского рассеяния на длине λE;
Е – оптический диапазон (1360нм -1460нм);
λЕ – опорная длина волны спектрального диапазона Е.
Учет всех потерь в оптическом волокне позволяет оценить собственные
потери оптического волокна
кмдБ
ИКПонррс
/,)()( ++=
. (2.8)
Кроме собственных потерь необходимо учитывать дополнительные
потери, к которым относятся:
− температурная флуктуация показателя преломления;
− скрутка оптических волокон между собой;
− приложение к оптическому волокну термохимических воздействий;
− скрутка оптического волокна относительно оси;
− неравномерность покрытия;
− потери в защитной оболочке
− микроизгибы;
23
− макроизгибы.
На рисунке 2.5 представлена зависимость собственных потерь от длины
волны.
Рисунок 2.5 – Зависимость собственных потерь от длины волны
С разработкой более совершенных методов очистки материала
кварцевого стекла от примесей и способов защиты от формирования примесей
гидроксильной группы в стекле в дальнейшем были получены оптические
волокна с пониженным водяным пиком (LPW – low water peak) или, как их
еще называют, волокна с нулевым водяным пиком (ZWP –zero water peak). К
волокнам этой группы относятся волокна AllWave (OFS) и SMF-28e (Corning).
Потери для таких волокон на «водяном» пике уменьшены до 0,31 дБ/км, что
меньше, чем на длине волны 1310 нм (0,35 дБ/км).
Диапазон работы ВОСП выбирается в области минимального затухания
кварцевых оптических волокон и лежит в пределах 1260-1675 нм. Выделяют
шесть спектральных диапазонов, данные которых сведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Спектральные диапазоны
Условное
обозначение
Наименование
Диапазон, нм
O
Основной (original)
1260–1360
E
Расширенный (expanded)
1360–1460
S
Коротковолновый (short )
1460–1530
C
Стандартный (conventional)
1530–1565
L
Длинноволновый (long)
1565–1625
U
Сверхдлинноволновый (ultra-long)
1625–1675
24
Эмпирический расчет коэффициента затухания
Эмпирический расчет позволяет определить коэффициент затухания
оптического волокна по формулам, имеющим допустимую погрешность при
расчетах основных параметров [2].
Собственные потери αс состоят из трёх составляющих: ослабления за
счет поглощения αп, ослабления за счет наличия в материале ОВ посторонних
примесей αпр, ослабления за счет потерь на рассеяние αр.
Отсюда:
αс=αп+αпр+αр, (2.9)
tg
n
n
69,8=
, (2.10)
4
p
p
=
, (2.11)
где n – коэффициент преломления сердцевины,
tgδ=10
-12
– тангенс угла диэлектрических потерь;
λ – длина волны излучателя;
Кр=0,8 мкм4·дБ/км.
2.2 Дисперсионные характеристики
Дисперсионные искажения характеризуют запаздывание
распространения модовых и спектральных составляющих в процессе
прохождения волнового пакета по световоду. В зависимости от причин,
приводящих к дисперсионным искажения, приняты следующие названия:
межмодовая дисперсия, хроматическая дисперсия, поляризационно-модовая
дисперсия.
Ниже рассмотрены основные причины запаздывания модовых или
спектральных составляющих.
Оценка задержки волнового фронта
Для оценки задержки волнового фронта необходимо учесть вектор
Пойнтинга [2-4].
. (2.12)
При совмещении оптического волокна с осью z можно записать
. (2.13)
][
2
1
= EHП
jkz
jkz
eHzH
eEzE
−
−
=
=
0
0
)(
;)(
25
Так волновой процесс осуществляется во времени и пространстве,
можно записать движение волнового фронта
. (2.14)
И при условии, что wt-kz есть величина постоянная, возможно
определить фазовую скорость одной моды
. (2.15)
Тогда временная задержка волнового фронта при прохождении
расстояния z определяется выражением 2.16.
. (2.16)
Таким образом, показатель преломления среды можно рассматривать
как меру скорости распространения света v в этой среде, то есть
v = c / n . (2.17)
Межмодовая дисперсия
В многомодовом оптическом волокне информационный сигнал
передается совокупностью мод (собственных оптических волн световода).
Определенное количество мод, падая на торец световода под апертурным
углом, проникает внутрь и распространяется за счет отражения от границы
раздела сердцевина/оболочка. В зависимости от угла ввода оптического
излучения наблюдаются моды более высокого порядка (если угол ввода
оптического излучения равен апертурному) и моды более низкого порядка
(если оптического излучение распространяется вдоль оси оптического
волокна).
Рисунок 2.6 – Распространение оптического излучения в световоде
n
c
kdt
dz
V
ф
0
=
==
)(
0
),(
kztj
eEtzE
−
=
0
c
nz
V
z
ф
ф
==
26
Многомодовые световоды изначально имели ступенчатый профиль
показателя преломления, т.е. показатель преломления в сердцевине был
постоянен, а на границе раздела сердцевина/оболочка резко уменьшался до
показателя преломления оболочки, т.е. изменение показателей преломления
можно было представить ступенькой. В ступенчатом световоде моды
распространяются с одной скоростью. Но проходят разный путь, т.к. моды
более высокого порядка отражаются от границы раздела более часто, а моды
более низкого порядка – менее часто. В результате возникает запаздывание
отдельных модовых составляющих.
В многомодовых световодах с градиентным показателем преломления
показатель преломления на оси световода максимален и постепенно, согласно
определенному закону, уменьшается к границе раздела сердцевина/оболочка.
Таким образом, моды более высокого порядка имеют большую скорость
распространения, а моды более низкого порядка – меньшую скорость. Что
приводит к выравниванию времени движения отдельных мод и уменьшению
времени запаздывания.
Оценка коэффициента дисперсионных искажений в оптических
волокнах осуществляется следующими выражениями:
− в многомодовых оптических волокнах со ступенчатым показателем
преломления
, (2.18)
где с0 – скорость света в вакууме.
− в многомодовых оптических волокнах с градиентным показателем
преломления
. (2.19)
Необходимо учесть, что в оптических волокнах с градиентным
показателем преломления дисперсионные искажения значительно меньше,
чем в оптических волокнах со ступенчатым показателем преломления, за счет
того, что в сердцевине плотность среды изменяется согласно определенного
закона, а не остается постоянной, как в ступенчатом волокне.
Также необходимо при оценке дисперсионных искажений учесть тот
факт, что при вводе оптического излучения наблюдается перераспределение
оптической энергии между модами, что приводит к преобразованию мод более
высокого порядка в моды более низкого и наоборот. Данный участок, на
котором происходит перераспределение энергии между модами, носит
название «длина взаимодействия мод» и характеризуется наибольшим
увеличением дисперсионных искажений.
Коэффициент межмодовой дисперсии обратно пропорционален полосе
пропускания оптического световода, т.е. широкополосности. В стандартах на
)/(
2
01
2
кмc
cn
NA
=
)/(
8
01
4
кмc
cn
NA
=
27
многомодовые световоды приведены характеристики широкополосности.
Широкополосность – это диапазон частот, в пределах которого амплитудночастотная характеристика равномерна, т.е в данном диапазоне обеспечивается
передача сигнала без искажений. Широкополосность определяется как
разность частот, на которых амплитуда (мощность) сигнала уменьшается в два
раза.
. (2.20)
Если амплитуда сигнала характеризуется уровнем мощности, то
широкополосность определяется как разность между частотами. На которых
уровень мощности уменьшился на 3 дБ.
. (2.21)
Анализ зависимости широкополосности от длины волны позволил
определить наиболее эффективную степень профиля показателя преломления.
Именно в градиентных световодах с параболической закономерностью
изменения показателя преломления в сердцевине широкополосность
максимальна, а дисперсионные искажения минимальны. Первые
многомодовые световоды, согласно ISO 11801, имеют характеристики,
приведенные в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Типы МОВ согласно стандарту ISO/IES 11801
Класс
МОВ
Диаметр
сердцевины,
мкм
Допустимый коэффициент
затухания,
дБ/км
Коэффициент
широкополосности,
МГц км
λ = 850 нм
λ = 1300 нм
λ = 850 нм
λ = 1300 нм
ОМ 1
50 или 62,5
3,5
1,5
200
500
ОМ 1
50
3,5
1,5
500
500
ОМ 1
50
3,5
1,5
1500
500
Хроматическая дисперсия
Одномодовые оптические волокна характеризуются хроматической и
поляризационной модовой дисперсией. Хроматическая дисперсия
обусловлена конечной шириной линии излучения лазера и различием
скоростей распространения отдельных спектральных составляющих
оптического сигнала. Под хроматической дисперсией понимают изменение
формы огибающей оптического сигнала, обусловленное зависимостью
постоянной распространения моды от длины волны. В данном случае
необходимо учитывать групповую задержку спектральных составляющих
−=
2
min
2
max
Р
Р
FFF
)3min()3max( −−
−=
pp
FFF
28
; (2.22)
. (2.23)
Из рисунка 1.3 видно, что групповой показатель преломления имеет
точку перегиба, т.е. происходит небольшое изменение показателя
преломления в коротковолновой и длинноволновой областях, а вблизи волны
1270 нм показатель преломления минимальный. В коротковолновом
диапазоне более коротковолновые спектральные составляющие
распространяются медленнее, чем длинноволновые спектральные
составляющие, а в длинноволновом диапазоне, наоборот: коротковолновые
спектральные составляющие распространяются быстрее, чем длинноволновые
спектральные составляющие. Вблизи длины волны 1270 нм коротковолновые
и длинноволновые спектральные составляющие распространяются
практически одинаковыми скоростями. Для оценки дисперсионных искажений
в одномодовом оптическом волокне вводят понятие удельной хроматической
дисперсии, т.е. величина дисперсионных искажений, приведенная к единице
длины оптического волокна и к единице длины оптического излучения.
Удельная материальная дисперсия обозначается М с размерностью пс/нм•км.
. (2.24)
На рисунке 2.6 представлена зависимость удельной материальной
дисперсии от длины волны.
Волноводная дисперсия (В) обусловлена спектральной зависимостью
скорости передачи, характер которой определяется профилем показателя
преломления оптического волокна. Пояснить явление волноводной дисперсии
можно с учетом зависимости радиальной амплитуды поля от точки, взятой на
поперечном разрезе оптического волокна.
Из приведенной ниже зависимости видно, что, чем меньше обобщенный
показатель (нормированная частота), тем больший объем по сечению
световода занимает оптическое излучение, т.е. больше диаметр модового
поля. Таким образом, световое излучение может распространяться не только
по сердцевине оптического волокна, но и по световедущей часть оболочки, где
показатель преломления меньше. Следовательно, оптическое излучение
распространяется по оболочке с большей скоростью, чем по сердцевине [2-4].
Зависимость волноводной дисперсии от длины волны представлена на
рисунке 2.8.
+
=
=
d
dn
n
с
z
V
гр
гр
0
)(
0
+=
d
dn
n
c
z
гр
=
=
d
d
Ld
dn
c
M
грg
)(
1
)(
1
)(
0
29
Рисунок 2.6 – Зависимость удельной материальной дисперсии
от длины волны
Рисунок 2.7 – Зависимость радиальной амплитуды поля от точки, взятой
на поперечном разрезе оптического волокна
Рисунок 2.8 – Зависимость волноводной дисперсии от длины волны
30
Удельная волноводная дисперсия оценивается выражением
. (2.25)
С учетом вышеизложенного, удельная хроматическая дисперсия D с
размерностью пс/нм•км есть сумма удельных составляющих дисперсий
. (2.26)
На рисунке 2.9 представлена зависимость удельной хроматической
дисперсии от длины волны.
Изменяя профиль показателя преломления, можно соответственно
изменить спектральную характеристику хроматической дисперсии.
Рисунок 2.9 – Зависимость удельной хроматической дисперсии
от длины волны
Спектральную характеристику хроматической дисперсии задают такими
параметрами, как длина волны нулевой дисперсии λ0, и наклон дисперсионной
характеристики S0, пс/(нм2•км). Параметр S – есть дифференциальный
параметр дисперсии:
; (2.27)
; (2.28)
ВМD +=
)/(
2
кмнмпс
d
dD
S
=
2
3
3
2
2
42
+
=
cc
S
кмнмпс
dV
Vbd
d
dn
dV
VbdVb
n
n
В
gg
+
−= /
)()(2
2
2
2
2
2
2
2
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]