Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Развитие волоконно-оптических линий связи. Учебное пособие
.pdf
31
где
. (2.29)
С учетом вышеприведенных формул можно записать выражение для
расчета дифференциального параметра.
. (2.30)
Для ступенчатого одномодового волокна типа CorningTM SMF-28e
значения этих параметров составляют: S0 = 0,092 пс/(нм2•км); λ0 =
1301,5…1321,5 нм. Для определения значений коэффициента хроматической
дисперсии D стандартного ступенчатого оптического волокна на длине волны
λ, лежащей в диапазоне от 1260 до 1675 нм рекомендуется выражение (2.31).
кмнмпс
S
D
−= /,
4
)(
3
4
00
. (2.31)
lD
хр
=
, (2.32)
где τ
хр
– хроматическая дисперсия, пс;
Δλ – ширина спектра излучения, нм;
l – длина линии, км.
Поляризационно-модовая дисперсия
Другое явление уширения импульса в оптических волокнах –
поляризационно-модовая дисперсия. Основные причины возникновения
поляризационно-модовой дисперсии [4]:
− механические воздействия в процессе производства;
− анизотропность реальных оптических волокон.
Если показатель преломления зависит от поляризации и направления
распространения света, то возникает явление двулучепреломление.
Двулучепреломление отвечает за явление двойного преломления, при котором
луч, падая на двулучепреломляющий материал, расщепляется на два луча.
Данное явление, открытое еще в1669 году, описано было Френелем в 19 веке.
Световод является анизотропным материалом, т.е. оптические свойства
волн различны. Причем в результате преломления появляется обыкновенный
луч, который характеризуется вектором напряженности и поляризован
перпендикулярно оптической оси, и необыкновенный луч с плоскостью
поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации обыкновенного луча.
Интенсивность оптического излучения обыкновенного и необыкновенного
3
3
3
2
2
2
;
=
=
d
d
d
d
)31(
4
4
4
00
+=
S
S
32
лучей одинакова. Анизотропность световода характеризует разную скорость
распространения двух модовых составляющих, т.е. появляются понятия: самая
быстрая скорость распространения моды и самая медленная.
Скорость распространения быстрой моды представлена выражением
(2.33), а скорость распространения более медленной (вырожденной) моды
представлена выражением (2.34).
; (2.33)
. (2.34)
Тогда задержку поляризованных составляющих можно представить
выражением (2.35).
. (2.35)
,
где DGD – дифференциальная групповая задержка поляризационно-
модовых составляющих.
В световодах с регулярным, т.е. постоянным по длине,
двулучепреломление можно избежать. Для этого достаточно, чтобы
направление поляризации на входе световода совпадало с направлением оси
двулучепреломления. Но для этого требуется, чтобы длина световода была
меньше длины корреляции нерегулярностей. Физически длина световода
всегда превышает длину корреляции, следовательно, обе моды возбуждаются,
а на участках, превышающих длину корреляции, происходит разворот осей
плоскостей поляризации. Неоднородности, расположенные случайным
образом в световоде, являются причиной повторного двулучепреломления.
Все это характеризует случайную связь между поляризационными модами,
поэтому дифференциальная групповая задержка прямо пропорциональна не
полной длине линии или длине связи, а корню квадратному из длины.
Поэтому введен коэффициент поляризационной модовой дисперсии Т,
который определяется по формуле 2.36.
, (2.36)
где lс – длина связи мод.
Поляризационно-модовую дисперсию в пс можно вычислить по
формуле 2.37.
б
б
n
с
v =
м
м
n
с
v =
Ln
v
L
v
L
DGD
бм
=
−=
22
кмпсlDGDТ
с
/,=
33
, (2.37)
где L – длина линии, км.
Поляризационно-модовая дисперсия ограничивает скорость
распространения. Максимально допустимую скорость распространения можно
оценить выражением (2.38).
, (2.38)
где ε – доля битового интервала – выбирается в зависимости от того,
какой коэффициент ошибок BER является приемлемым.
Ограничение битовой скорости передачи
Дисперсионные искажения ограничивают скорость передачи
информационного сигнала. В зависимости от ширины спектра излучения
влияние дисперсионных искажений на скорость передачи может быть
определено формулами, приведенными ниже.
Для оптических источников с большой шириной спектра:
, (2.39)
где t
вых
– длительность выходного импульса;
t
вх
– длительность входного импульса;
τ – дисперсия.
, (2.40)
где Ти – тактовый интервал;
В – битовая скорость.
. , (2.41)
, (2.42)
. (2.43)
псLТ
ПМД
,=
ПМД
B
=
max
22
+=
вхвых
tt
В
ТТ
t
ии
вых
4
1
4
;
4
=
= LDtt
выхвх
4
1
DLB
8
1
2
SLB
34
С учетом проведенного анализа битовая скорость импульса будет
определяться выражением 2.44.
, (2.44)
где σλ – ширина спектра излучения.
Для оптических источников с малой шириной спектра излучения:
, (2.45)
где β
2
– дифференциальная групповая задержка.
. (2.46)
С учетом формул 2.45 и 2.46 длительность выходного импульса
определяется выражением 2.47.
, (2.47)
, (2.48)
тогда битовая скорость будет определяться выражением 2.49.
. (2.49)
Упрощенный метод расчета опирается на требование, чтобы
дисперсионные искажения была меньше в три раза, чем битовый интервал:
.
(2.50)
Значения допустимой поляризационно-модовой дисперсии в
зависимости от битовой скорости, рассчитанные по формуле 2.50, приведены
в таблице 2.3.
max
12
1
В
2
8
1
SL
B
2
||
2
L
t
вх
=
−==
c
D
d
d
2
2
2
= Lt
вых
||
2
L
B
2
25,0
4
1
||
2
LB
35
Таблица 2.3 – Допустимая поляризационной-модовая дисперсия
В, Гбит/с
Длительность битового
интервала
τ, пс
2,5
100
30
10
25 8 40 6 2
2.3 Компенсация полной дисперсии в линии передачи
Параметры передачи, рассмотренные выше для световодов, работающих
в одномодовом режиме, были использованы для разработки стандарта G.652
для стандартного одномодового световода. Согласно этому стандарту,
существуют четыре модификации A, B, C, D на световоды. В стандартах
прописаны основные параметры, такие, как диаметр модового поля, длина
волны отсечки, крутизна дисперсионной характеристики на длине волны с
нулевыми дисперсионными искажениями, длина волны с нулевой дисперсией,
коэффициент поляризационно-модовой дисперсии и коэффициент затухания.
В таблице 2.4 представлены основные параметры световода стандарта G.652.
Таблица 2.4 – Основные характеристики стандартного одномодового световода
G.652
A B C D D+
α,
дБ/км
0,5
(1310 нм)
0,4
(1310 нм)
0,4
(1310-1625 нм)
0,4
(1310-1625
нм)
0,35
(1310 нм)
0,4
(1550 нм)
0.35
(1550 нм)
0.3
(1550 нм)
0.3
(1550 нм)
0,18
(1550 нм)
0.4
(1625 нм)
0,34
(1383нм)
0,22
(1625 нм)
λ
отс
,нм
1260
λ0, нм
1300-1324
1310+10
dМП, мкм
8.6 +0,6(1310 нм)
9,2+0,4
(1310 нм)
10,4+0,5
(1550 нм)
S0,
пс/нм2·км
0.092
Т, пс/√км
0,5
0,2
0,5
0,2
0,1
Согласно МЭК световоды G.652 А/В обозначаются как В1.1, а
световоды C/D – В1.3. В данных стандартах прописана величина
коэффициента дисперсионных искажений в пс/нм·км, который должен
находиться в следующих диапазонах:
;
.
( )
13301285/5,3
1310
− кмнмпсD
( )
15751525/18
1550
− кмнмпсD
36
Из таблицы 2.4 видно, что передаточные параметры, в частности
дисперсионные искажения, ограничивают дальность и скорость передачи
информационного сигнала. Максимально-допустимая величина уширения
импульсов определяется из условия (формула 2.40), что импульсы
перекрываются настолько, что ошибки, возникающие при идентификации
битов, превышают допустимую величину [4]. Для устранения этих
ограничений в линии могут использоваться компенсаторы дисперсии.
Спектр оптического сигнала имеет ненулевую ширину как из-за того,
что излучение промодулировано по амплитуде, так из-за ненулевой ширины
спектра источника излучения.
Требования к компенсаторам дисперсии:
− малые потери;
− малые габариты;
− малая мощность;
− регулировка дисперсии.
Основные типы компенсаторов дисперсии:
− волоконно-оптические Брэгговские решетки;
− специальные волокна;
− компенсация дисперсии с помощью фотонных кристаллов.
Волоконно-оптические Брэгговские решетки (ВОБР)
ВОБР формируются за счет записи решетки с помощью примеси
германия в фоточувствительное волокно. При формировании различных
периодов решетки создаются различные условия отражения.
Рисунок 2.10 – Формирование Брэгговской решетки
Брэгговская длина волны оценивается выражением (2.51)
. (2.51)
С помощью ВОБР возможно скомпенсировать материальную
составляющую дисперсии, которая в стандартном одномодовом волокне
характеризуется замедлением длинноволновых составляющих спектра в
длинноволновой части спектра. За счет изменения индекса преломления
внутри оптического волокна коротковолновые составляющие задерживаются
dnБ= 2
37
и происходит уменьшение групповой задержки спектральных составляющих в
длинноволновой части спектра. Но применение дополнительных пассивных
устройств характеризуется увеличением суммарных потерь в линии и
удорожанием всей системы [4].
Специальные волокна
В первых конструкциях модулей компенсации дисперсии
использовалось специальное волокно DC (DCF – Dispersion Compensating
Fiber). Модули с DC волокнами удовлетворяют таким требованиям к
компенсаторам, как:
− малые потери;
− широкий диапазон.
Формируются специальные волокна путем легирования примесей.
Рисунок 2.11 – Формирование специальных волокон
Для оценки требуемой длины волокна DC необходимо, чтобы
выполнялось равенство, приведенное ниже:
; (2.52)
где
Однако при использовании данных волокон существенно
увеличиваются потери в оптическом тракте. Характеристика потерь
специальных волокон DC представлена на рисунке (2.13).
ОВхрКДКД
LDLD =
SFКД
SS =
38
Рисунок 2.12 – Коэффициент затухания волокон DC
Оптические световоды стандарта G. 653
В световоде стандарта G.652 минимальные потери приходятся на длину
волны 1550 нм, а минимальные дисперсионные искажения находятся в точке
нулевой дисперсии на длине волны 1310 нм. Рассмотренные выше
компенсаторы дисперсии характеризуются определенными недостатками, в
частности увеличением вносимых потерь, т.е имеют не высокую
эффективность при решении проблемы увеличения скорости и дальности
передачи. В связи с этим был разработан стандарт со смещенной дисперсией
G.653 DSF. Основные характеристики световода стандарта G.653 приведены в
таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Основные характеристики световода стандарта G.653
G.653
A
B
α, дБ/км
0,35
(λ =1550 нм)
0.35
(λ =1550 нм)
0.5
(λ =1310 нм)
dМП, мкм(λ =1550 нм)
7,8-8,5+0,8
7,8-8,5+0,6
λ
отс, нм
1270
λ0, нм
1500-1600
1300-1324
S0, пс/нм2·км
0,085
Т, пс/√км
0,5
0.2
Согласно МЭК световоды стандарта G.653 А обозначаются В2_а, G.653
В обозначается В2_b. В стандартах МЭК коэффициент удельной
хроматической дисперсии для световода В2_b должен находится в следующих
диапазонах:
, (2.53)
, (2.54)
. (2.55)
152514605.3)1525(085.0)( +−
D
15751525)1525(
75
5.3
)( −
D
162515755.3)1575(085.0)( +−
D
39
3 Нелинейные эффекты в волоконной оптике
В теории связи необходимо ограничивать расстояние передачи
информационного сигнала в связи с ослабление мощности световой волны.
Для увеличения дальности передачи без дополнительных устройств
генерируется мощная световая волна. Но в этом случае необходимо учитывать
нелинейно-оптические явления, возникающие при распространении в среде
мощного светового пучка. Различные эффекты представлены на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Нелинейно-оптические явления, возникающие при
распространении в среде мощного светового пучка
При передаче по оптическим световодам выделяются следующие
нелинейно-оптические явления, которые оказывают существенное влияние на
передаваемый информационный сигнал:
1. Неупругие взаимодействия, связанные с эффектами рассеяния.
2. Упругие взаимодействия, обусловленные эффектом Керра,
приводящие к изменению показателя преломления среды под действием
электрического поля.
Неупругие взаимодействия, связанные с эффектами рассеяния,
обусловленные процессами в кристалле диэлектрика, называются
вынужденным стимулированным рассеянием Рамана (SRS). В этом случае
40
электрон, движущийся и взаимодействующий с другим электроном
посредством решетки, приводит ее в возбужденное состояние. При переходе
решетки в основное состояние излучается квант энергии – фонон, который
поглощается другим электроном.
Неупругие взаимодействия, связанные с эффектами рассеяния,
обусловленные процессами возникновения акустической волны при передачи
по световоду мощной входной волны, называются вынужденным рассеянием
Бриллюэна (SBS). Под воздействием акустической волны меняется индекс
рефракции.
К неупругим взаимодействиям относятся:
− фазовая самомодудяция мод (SPM);
− четырехволновое смешение (FWM).
Процессы, обусловленные эффектами Брюллюэна, представлены на
рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Рассеяние Бриллюэна
По формуле 3.1 определяется пороговая мощность оптической волны,
при превышении которой возникает рассеяние Бриллюэна.
, (3.1)
где А
эф
– эффективная площадь модового поля, определяемая по
формуле 3.2;
l
вз
– длина взаимодействия;
Δfи – частотный диапазон источника оптического излучения;
ΔfB – частотный диапазон рассеяния Бриллюэна;
)1(03,0)1(
21
B
u
B
u
B
эф
взпороговаяВ
f
f
f
f
g
A
lР
+
+
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]