Опт устр в РТ / ВОЛС / 3_Многомодовые и одномодовые оптические волокна
.docМногомодовые и одномодовые оптические волокна
Профиль показателя (индекса) преломления: ступенчатый и градиентный.
- многомодовый ступенчатый индекс;
- одномодовый ступенчатый индекс;
- многомодовый градиентный индекс.
Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем.
r – текущий радиус,
R – радиус сердцевины.
Для градиентных ОВ вводится понятие локальной числовой апертуры, равной
Для градиентного ОВ с параболическим ППП
NA волокна указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Типовые значения NA 0,2…0,27.
Волноводная (нормированная) частота – объединенный параметр ОВ, определяющий число мод
,
где - длина волны в вакууме. Важнейший параметр ОВ, связывающий с его структурными параметрами.
Если 0<V<2.405,то режим работы волокна одномодовый, если V>2.405 - многомодовый. Чем меньше диаметр сердцевины ОВ, тем меньшее число мод может распространяться по нему и тем меньшее расширение получают оптические импульсы.
Число мод N (при V >> 2,405):
При уменьшении V все большая часть энергии распространяется в оболочке. В градиентных ОВ с параболическим ППП N = V2/4.
В одномодовых ОВ энергия распространяется и в оболочке. Поэтому размер поля моды dмод > 2r.
Минимальная длина волны, при которой в ОВ существует только одна мода, называется длиной волны отсечки (критической):
Меридианные и косые световые лучи.
Меридиональные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось волоконного световода. Косые лучи не пересекают ось световода.
Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е0m и магнитныеH0m волны, косым лучам - несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.
Для меридианных:
1) длина пути Lp, между двумя последовательными отражениями:
Lp = 2R / Sin φ;
2) оптическая длина пути L0 :
L0 = n1LP =2R n1 / Sin φ ;
3) полупериод траектории луча Lh:
Lh = 2R / tg φ = Lp Cos φ;
4) число отражений N на единицу среды распространения:
N = 1 / Lh = tg φ / 2R .
В точке на расстоянии L от начала волновода со ступенчатым ППП
ВИДЫ ДИСПЕРСИИ
Осевой луч будет проходить расстояние L за время to = n1 L / c, а наиболее наклонный луч то же самое расстояние пройдёт за время:
На выходе волокна эти лучи будут разделены во времени:
Уширение светового импульса, содержащего лучи под всеми возможными углами: . Это межмодовая временная дисперсия ОВ.
Примечание: n = n1-n2 – абсолютная разность ПП, - относительная
Дисперсия |
Причина дисперсии |
Многомодовые ОВ |
Одномо-довые (∆F=1÷10Ггц) |
|
Ступенчатое (∆F=10÷100Мгц) |
Градиентное (∆F=100÷1000Мгц) |
|||
Волноводная, |
Коэффициент распространения зависит от частоты |
Малое значение дисперсии |
Малое значение дисперсии |
Взаимная компенса-ция |
Материальная (Молекулярная), |
Коэффициент преломления зависит от частоты |
(2-5) нс/км |
(0,1-0,3) нс/км |
|
Межмодовая, |
Разные моды приходят к концу линии в разное время |
(20-50) нс/км |
(1-4) нс/км |
Отсутству-ет |
Поляризаци-онная, |
Различная ско-рость распро-странения двух взаимно-пер-пендикулярных составляющих моды |
Не проявляется |
≤0,5 нс/ |
Ступенчатое одномодовое ОВ: =1,3 мкм
Зависимости:
Материальная от легирования (GeO2),
Волноводная от легирования и от и r.
ОВ со смещенной дисперсией:
r с 5,5 до 1,8 мкм нулевая дисперсия смещается с 1,3 на 1,75 мкм
Специальный профиль смещает нуль дисперсии без увеличения потерь
Затухание
Коэффициент затухания
= с + k
c – собственные потери, дБ/км;
k – кабельные потери, дБ/км.
αр - составляющая α за счет рассеяния,
αn - составляющая α за счет поглощения.
.
где αпм - поглощение в материале;
αик - инфракрасное поглощение;
αпр - поглощение на примесях.
Доминируют потери на рассеяние:
2,5 дБ при λ= 820 нм;
0,24 дБ при λ= 1300 нм;
0,012 дБ при λ= 1550 нм.
Релеевское
рассеяние
R
Потери
на изгибах
Защитное покрытие
Сердечник и оболочка
Микроизгибы
Для ОМОВ:
где - радиус поля моды.
Упрощенные формулы для оценки затухания в ОВ:
, дБ/км,
tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь сердцевины ОВ, при расчете принимается tgδ = 10-10;
, дБ/км.
Кр – коэффициент рассеяния, для кварца Кр=1,5 мкм4.
ОВ 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).
Выделяют шесть спектральных диапазонов:
-
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
Сверх-длинноволновый
(ultra-long)
1625–1675
Сегодня на местных сетях в основном работают в диапазоне O, а на магистральных в диапазонах C и L, где можно использовать оптические усилители на легированных эрбием волокнах EDFA (erbium doped fiber amplifier).
Спектральные характеристики затухания и дисперсии стандартного одномодового ОВ |
Полоса пропускания
f = c/; df/d = -c/2; F = c/02.
Многомодовое волокно (ММВ): F = 0,44 / (на длине 1 км)
В одномодовых волокнах (ОМВ) дисперсия выражается в пс на км и на нанометр спектральной ширины источника (). Приблизительная оценка полосы пропускания:
.
где - дисперсия на рабочей в сек на нанометр и на км,
- ширина спектра источника в нм,
L – длина волокна в км
Физический смысл F – максимальная частота сигнала при L= 1 км
Полоса частот ∆F и дальность передачи взаимосвязаны:
Информационная емкость FL = const
Для ММВ FL = 1601000 МГцкм, для ОМВ – до 1000 ТГцкм
Дальность лимитируется:
у многомодовых – дисперсией,
у одномодовых и градиентных – затуханием.
Критическая частота fкр:
При очень высоких частотах вся энергия концентрируется внутри сердечника. При уменьшении частоты она перераспределяется и переходит в окружающее пространство. При критической частоте (частоте отсечки) fкр поле не распространяется вдоль ОВ, ее энергия рассеивается в окружающем пространстве.
, g2 = 0,
где: g1 – поперечное волновое число для сердечника,
g2 – поперечное волновое число для оболочки,
, k1 – волновое число для сердечника,
- коэффициент фазы (мнимая часть коэф-та распространения)
Критическая длина волны λкр:
.
Диаметр сердечника одноволнового световода:
Обычно Тогда
Pnm = 2,405 – корень функции Бесселя при n = 0, m = 1.