ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

диапазоне 25 дБ с учетом потерь на сухих соединениях и сварках при затухании в волокне 0,4 дБ/км получаем максимальное расстояние 62,5 км.

Уменьшить потери можно, если передавать сигнал на длине волны 1550 нм. По потерям при прежнем динамическом диапазоне 25 дБ и при условии, что ОВ имеет затухание 0,25 дБ/км, получаем расстояние 100 км. По дисперсии при использовании лазеров с ∆λ = 2 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового ОВ 8/125 составляет 12600 МГц км. В итоге на дистанции 100 км полоса пропускания будет 126 МГц, что сравнимо с частотой модуляции Fast Ethernet. Это не очень надежно. При фиксированной спектральной полосе ∆λ = 2 нм затруднения можно снять, если использовать для передачи ОВ со смещенной дисперсией DSF. Если же кабельная система представлена исключительно одномодовыми ОВ со ступенчатым профилем (SF), то следует использовать оптические передатчики с более узкой спектральной полосой, например ∆λ = 1 нм.

Пример 4. Стандарт ATM 622 Мбит/с (STM-4) для одномодового ОВ. Оптический интерфейс ATM 622 Мбит/с использует кодировку 8В/10В, что соответствует частоте модуляции 778 МГц. При использовании лазера с ∆λ = 0,1 нм (1550 нм) удельная полоса пропускания для ступенчатого одномодового ОВ 8/125 составляет 252 000 МГц км (12600×20) и при длине оптического сегмента 100 км будет 2520 МГц, что значительно больше 778 МГц. То есть, с точки зрения дисперсии, при использовании лазера с ∆λ = 0,1 нм (1550 нм) протяженность в 100 км является допустимой, даже если применяется стандартное ступенчатое ОВ.

Пример 5. Передача суперсигнала на частоте 100 ГГц по одномодовому ОВ со смещенной дисперсией DSF. При использовании лазеров с ∆λ = 0,1 нм (1550 нм) удельная полоса пропускания для DSF 8/125 составляет более 2400 ГГц км (20×120 000 МГц км) и при длине оптического сегмента 20 км будет 120 ГГц, что незначительно превосходит 100 ГГц. То есть, с точки зрения дисперсии, протяженность сегмента в 20 км находится на грани предельного допустимого расстояния. Именно поэтому оптические суперсети со скоростью передачи на канал 100 Гбит/с имеют ограниченный масштаб, например масштаб города.

Поляризационная модовая дисперсия

Поляризационная модовая дисперсия τpmd – возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной диспер-

сии Т нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/км0,5), а τpmd растет с ростом расстояния по закону τpmd = T L0,5. Для учета вклада в

результирующую дисперсию следует добавить слагаемое (τpmd)2 в правую

151

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

часть (6.12). Из-за небольшой величины τpmd может проявляться исключительно в одномодовом ОВ, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

В одномодовом ОВ в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды − две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном ОВ, в котором отсутствуют неоднородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью, рис. 6.11 (а). Однако на практике ОВ имеют неидеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод, рис. 6.11 (б).

Избыточный уровень τpmd, проявляясь вместе с чирпированным (чирпированная модуляция (тех.) − это модуляция, нестабильная по амплитуде или частоте, выходной сигнал при этом называют чирпированным модулированным сигналом (chirp-modulated signal)) модулированным сигналом от лазера, а также поляризационной зависимостью потерь, может приводить к временным колебаниям амплитуды аналогового видеосигнала. В результате ухудшается качество изображения, или появляются диагональные полосы на телевизионном экране. При передаче цифрового сигнала высокой полосы (> 2,4 Гбит/с) из-за наличия τpmd может возрастать битовая скорость появления ошибок.

а) б)

Рисунок 6.11 − Появление поляризационной модовой дисперсии [42]

Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового ОВ, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации ОВ.

Пример 6. Оценить расстояние L0, при котором хроматическая τchr и поляризационная модовая дисперсии τpmd сравниваются по величине, если коэффициент хроматической дисперсии D = 2 пс/(нм км), коэффициент поляризационной модовой дисперсии T = 0,5 пс/км0,5, а ширина

152

Введение в радиооптику

спектрального излучения ∆λ = 0,05 нм.

Приравнивая выражения τchr = D∆λ L и τpmd = TL0,5, находим L0=(Т/D∆λ)2 = 25 км. Если при L > L0 поляризационной модовой дисперсией можно пренебречь, то при L < L0, наоборот, ее следует строго учитывать. Проблема поляризационной модовой дисперсии возникает при обсуждении проектов построения супермагистралей (> 100 Гбит/с) городского масштаба.

Пример 7. Оценить максимальное допустимое расстояние оптического сегмента Lmaх, на которое можно передать одноканальный сигнал с частотой W = 100 ГГц без ретрансляции, исходя из ограничений, вносимых поляризационной модовой дисперсией, если коэффициент поляризационной модовой дисперсии Т = 1,0 пс/км0,5 .

На основании соотношения (6.15) получаем: τpmd = TL0,5 < 0,44/W.

Отсюда Lmax = (0,44/WT)2 = (0,44/(100 109 1 10-12))2 ≈ 19 км. При Т = 0,5

пс/км0,5 расстояние возрастает до 77 км.

Ведущие фирмы-производители ОВ обеспечивают выходной параметр поляризационной модовой дисперсии не выше 0,5, но после инсталляции кабельной системы значение этого параметра возрастает.

6.4 Характеристики поставляемых волокон

Широко используются два стандарта многомодового градиентного ОВ − 62,5/125 и 50/125, отличающиеся профилем сердцевины, рис. 6.12, а. Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на рис. 6.12, б.

а) б)

Рисунок 6.12 − Многомодовые градиентные ОВ: а − ППП ОВ 50/125 и 62,5/125; б − характерные кривые спектральных потерь мощности

Отметим, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из межмодовой и хроматической составляющих.

153

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Если межмодовая дисперсия слабо зависит от длины волны, то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения. Коэффициент пропорциональности D(∆λ) при длинах волн в окрестности 1300 нм (λ0) близок к нулю, в то время как на длине волны 850 нм примерно равен 100 пс/(нм2км).

Специфика использования многомодового ОВ такова, что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие уширения спектральной линии излучения благодаря некогерентности источника примерно ∆λ ~ 50 нм, в отличие от лазерных диодов с уширением ∆λ ~ 2 нм и меньше. Это приводит к тому, что хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Основные характеристики многомодовых градиентных ОВ двух основных стандартов 50/125 и 62,5/125 приведены в табл. 6.4 [43].

Введение в радиооптику

Использование лазерных передатчиков (имеющих значительно меньшее спектральное уширение) можно значительно уменьшить хроматическую дисперсию.

Исследования показывают, что, когда длина волны нулевой дисперсии попадает в зону мультиплексного сигнала, начинают проявляться нежелательные интерференционные эффекты, приводящие к более быстрой деградации сигнала. Поэтому поставщики средств связи должны отчетливо представлять себе преимущества и недостатки каждого ОВ в аспекте эволюции традиционных сетей к полностью оптическим сетям

[44].

Стандартное ступенчатое ОВ SF (рис. 6.13, а) стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространено в телекоммуникационных сетях. Оно оптимизировано по дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.

а) б) Рисунок 6.13 − ППП наиболее распространенных одномодовых ОВ: а −

ступенчатое одномодовое ОВ (стандартное волокно); б − одномодовое ОВ со смещенной дисперсией (ОВ со специальным профилем)

ОВ со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении многих лет ОВ DSF считается самым перспективным волокном.

С приходом новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала большую роль начинают играть эрбиевые оптические

155

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

усилители типа EFDA, способные усиливать многоканальный, сигнал. К сожалению, более поздние исследования (в начале 90-х годов) показывают, что именно длина волны нулевой дисперсии (1550 нм), попадающая внутрь рабочего диапазона эрбиевого усилителя, является главным потенциальным источником нелинейных эффектов (прежде всего, четырехволнового смешивания), которые проявляются в резком возрастании шума при распространении многоканального сигнала.

Дальнейшие исследования подтверждают ограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM.

Волокно NZDSF создано в начале 90-х годов с целью преодолеть недостатки ОВ DSF (проявилось при работе с мультиплексным оптическим сигналом), известное еще как λ-смещенное ОВ, имеет особенность в том, что длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбия. Это уменьшает нелинейные эффекты и увеличивает характеристики ОВ при передаче DWDM сигнала.

Две марки λ-смещенного ОВ широко используются сегодня: ОВ

TrueWave фирмы Lucent Technologies [45] и ОВ SMF-LS фирмы Corning [46, 47]. Оба имеют ненулевую дисперсию во всем диапазоне полосы пропускания эрбия. ОВ TrueWave обеспечивает положительную дисперсию при точке нулевой дисперсии в районе 1523 нм, в то время как SMFLS обеспечивает отрицательную дисперсию с точкой нулевой дисперсией чуть выше 1560 нм, рис. 6.14. В начале 1998 года фирма Corning выпустила еще одну марку λ-смещенного волокна − LEAF™ [46]. Сравнительный анализ основных характеристик NZDSF ОВ TrueWave [45] и SMFLS, LEAF [46] приведен в табл. 6.5.

Таблица 6.5 Сравнительный анализ основных характеристик NZDSF волокон

156

Введение в радиооптику

По дисперсионным характеристикам волокно LEAF близко к волокну TrueWave. Главной отличительной чертой этого ОВ по сравнению с двумя предыдущими является большая эффективная площадь для светового потока − диаметр модового пятна возрос на 1 мкм. Beличина этого параметра становится весьма важной для оптимизации систем диапазона

1550 нм.

Рисунок 6.14 −Хроматическая дисперсия одномодовых ОВ в окне 1,55 мм

157

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Больший диаметр модового пятна позволяет увеличить уровень мощности излучения вводимого волокна на 2 дБ, сохраняя при этом влияние ряда нелинейных эффектов, в особенности четырехволнового смешивания, на прежнем уровне.

Инсталляция новых кабельных сегментов, или наращивание существующих с учетом перехода на скорости передачи 2,4 и 10 Гбит/с может осуществляться с использованием трех перечисленных видов волокон. При выборе ОВ следует учитывать такие факторы, как общая стоимость проекта, требуемые емкости каналов, надежность, сложность системы и др.

6.5 Классификация и конструктивные особенности оптических кабелей

В настоящее время применяются две конструкции оптических кабелей (ОК): кабели, содержащие металлические элементы (проводники, броневые покровы и др.), и полностью диэлектрические кабели.

К достоинству первых относится более высокая механическая прочность и влагоустойчивость, защита от грызунов. ОК второго типа менее подвержены влиянию электромагнитных воздействий и имеют несколько меньшие габариты и массу.

ОК состоит из свободно уложенных или скрученных по определенной системе ОВ, заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости ОК может содержать силовые, защитные и демпфирующие элементы, а также элементы продольной и поперечной герметизации (см.

рис. 6.15).

ОК классифицируются по назначению, области применения, конструкции сердечника и типу защитной оболочки. В зависимости от назначения различают ОК внешней прокладки, внутриобъектовые ОК и мини-кабели.

Рисунок 6.15 − Структура ОВ кабеля

Кабели внешней прокладки

ОК внешней прокладки (outdoor cables) используются для связи между зданиями. Основным требованием к конструкции таких ОК, по-

158

Введение в радиооптику

мимо малых затуханий и высокой широкополосности, является высокая механическая прочность к растягивающим и сдавливающим усилиям, а также влагостойкость и широкий диапазон рабочих температур. Большинство ОК имеют традиционную повивную скрутку, которая преимущественно образована пластиковыми тубами, получившими название модулей. В каждом модуле может размещаться от одного до 12 ОВ. Некоторые ОК имеют одну большую трубку для укладки ОВ, размещаемую по оси конструкции.

Элементы защиты от раздавливающих усилий представлены в основном различными покровами и оболочками.

Броневые покровы ОК придают ему дополнительную разрывную прочность и защищают его от сдавливающих усилий. В качестве брони могут быть использованы редкая или плотная металлическая оплетка, гофрированная лента и круглая стальная проволока различного диаметра. В качестве элементов защиты ОК от повреждения грызунами могут применяться металлические броневые покровы и оплетки из стекловолоконных нитей. Основным средством обеспечения продольной герметизации является гидрофобный гель, который заполняет пустоты кабельного сердечника. Поперечная герметизация ОК задается наружными оболочками.

ОК могут прокладываться в кабельной канализации, трубах, коллекторах, на мостах, эстакадах и в шахтах, а при наличии броневых покровов различного типа возможна непосредственная укладка ОК в грунт без мерзлотных деформаций (с использованием песчаной подушки или без нее). Допускается прокладка ОК при переходах через неглубокие озера, реки и болота. Специально для организации линий воздушной связи выпускаются ОК для подвески на опорах с интегрированным в конструкцию внешним несущим тросом. Многие ОК имеют так называемую самонесущую конструкцию. Такие ОК также можно использовать для воздушной подвески при условии применения для крепления специальных зажимов с пролетами до 150 метров и более. Рабочий температурный диапазон ОК внешней прокладки обычно составляет: −40 - +50 °С (отечественные); −40 - +70 °С (импортные ОК). Промышленность выпускает одномодовые, многомодовые и комбинированные ОК внешней прокладки, которые могут иметь и медные проводники для подачи напряжения дистанционного питания, ведения служебных телефонных переговоров и других целей.

Кабели внутриобъектовой прокладки

Межэтажная и поэтажная разводка внутри зданий осуществляется внутриобъектовым ОК (indoor cables), отличающимся от ОК внешней прокладки повышенной гибкостью и улучшенными массогабаритными показателями за счет использования в конструкции облегченных упроч-

159

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

няющих покрытий, а также отсутствием элементов защиты от влаги. Подавляющее большинство внутриобъектовых ОК имеют многомодовые ОВ.

Мини- и микрокабели

ОК внутриобъектовой прокладки с одним или двумя ОВ, каждое из которых имеет индивидуальную защитную оболочку, называют миникабелями, Мини-кабели бывают одинарные (simplex) и двойные (duplex). Основным назначением дуплексных ОК является: изготовление соединительных шнуров, создание кабельной разводки в технических помещениях, формирование горизонтальных магистралей крупных структурированных кабельных систем с прокладкой в коробах до рабочего места.

Диаметр внешней оболочки мини-кабеля обычно составляет от 2,4 до 3 мм. В последнее время появились конструкции со шлангом диаметром 1,6 мм.

Для изготовления монтажных шнуров (пигтейлов − от англ, pigtail), присоединяемых к магистральным кабелям в процессе сборки оконечных разделочных устройств, используется одинарное ОВ в буферном покрытии 0,9 мм. Такую конструкцию иногда называют микрокабелем.

Оптический шнур − это оптический миникабель, оконцованный с обеих сторон соединителями. Оптические шнуры бывают одномодовые, многомодовые (с одномодовым и многомодовым ОВ, соответственно), одиночные (с одним ОВ), двойные (с двумя ОВ).

Основная функция оптического шнура − обеспечение соединения: между разными активными сетевыми устройствами; между сетевым устройством и оптическим распределительным узлом; внутри оптического соединительного узла или кросса (внутренняя кросс-коммутация).

Иногда для выполнения быстрого соединения проще использовать адаптер быстрого оконцевания обнаженного ОВ.

Волоконно-оптические соединители

По мере роста сложности и увеличения протяженности волокон- но-оптической кабельной системы роль пассивных компонентов возрастает. Практически все системы волоконно-оптической связи (ВОС), реализуемые для магистральных информационных сетей, локальных вычислительных сетей, а также для сетей охраны и кабельного телевидения, охватывают сразу все многообразие пассивных волоконно-оптических компонентов.

Самым важным вопросом передачи информации по ВОЛС является обеспечение надежного соединения ОВ. Оптический соединитель − это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения. Такими местами являются: оптические соединения оптоэлек-

160