Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

GOS_NovyE

.pdf
Скачиваний:
300
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
2.48 Mб
Скачать

9.Для какого типа ОВ модовая дисперсия не учитывается? для многомода нет смысла использовать все виды дисперсий

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно Хроматическая (она же частотная) дисперсия является следствием того, что длина волны

испускаемого источником света не однозначна, а лежит в определенном диапазоне длин волн, т.е. в спектре. Лучи с разной длиной волны (даже в одной и той же моде) распространяются с разной скоростью, что приводит к рассеиванию сигнала на выходе. Хроматическая дисперсия складывается из внутримодовой (волноводной) дисперсии, материальной дисперсии и профильной дисперсии.

материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется

зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

10. Влияет ли дисперсия на полосу пропускания ОВ? Да, влияет.

Одним из основных параметров, ограничивающих скорость передачи по любой направляющей системе, является ее ширина полосы пропускания. Количественно она может быть оценена с временной и частотной точек зрения. Оба подхода обладают равной полнотой и поэтому однозначно математически связаны. Другими словами, зная временные характеристики передаточной характеристики оптического волокна, можно рассчитать частотные характеристики и наоборот.

Термин «ширина полосы пропускания» относится к частотному описанию передаточных характеристик оптического волокна, аналогом этого термина при временном описании является дисперсия. В оптике слово «дисперсия» означает зависимость показателя преломления вещества от длины волны, а в оптических системах связи — уширение световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду. Уширение импульсов при передаче по ОВ зависит от формы передаваемого импульса, ширины спектра частот источника излучения (∆λ) и собственно дисперсии волокна, под которой далее понимается рассеяние во времени модовых или спектральных составляющих оптического сигнала. Количественно ширина полосы пропускания обратно пропорциональна дисперсии. Если полоса пропускания уменьшается, то дисперсия увеличивается. Таким образом, при частотном подходе оптическое волокно подобно фильтру нижних частот. Ширина полосы пропускания оптического волокна — это частота модуляции света, при которой передаточная функция ОВ уменьшается в два раза по сравнению с величиной при нулевой частоте. Под передаточной функцией понимается отношение амплитуды световой мощности на входе и выходе ОВ в зависимости от частоты модуляции.

В металлических кабелях симметричной и коаксиальной конструкции ограничение полосы пропускания возникает из-за зависимости затухания кабельной цепи от частоты. Для оптических волокон действует совершенно иной механизм ограничения полосы пропускания, а именно модовая и хроматическая дисперсии. Суммарную величину волноводной и материальной дисперсии принято называть хроматической дисперсией.

 

 

 

нс

 

Дисперсия –

 

 

- величина, обратная полосе пропускания ОК.

 

 

 

 

км

 

VF

k

[Мгц·км],

 

 

 

ок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k - коэффициент, учитывающий форму оптического импульса (от 0,44 при гауссовской форме импульса до 0,6 при прямоугольных импульсах)

11.Виды дисперсии в одномодовых ОВ

Водномодовых волокнах необходимо учитывать волноводную, материальную и профильную дисперсии.

Суммарное уширение импульсов (τ) при распространении света по волокну равно

вв м пр хр м , (1)

где вв , м и пр — уширение соответственно вследствие волноводной,

материальной и профильной дисперсии. Суммарную величину волноводной и материальной дисперсий принято называть хроматической дисперсией, хр .

В одномоде распространяется один тип волны, поэтому модовой дисперсии там

нет.

материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется

зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Профильная дисперсия, некоторыми источниками не выделяемая в отдельное явление (тогда ее считают составной частью волноводной дисперсии), определяется соотношением коэффициентов преломления ядра и демпфера и профилем раздела сред. Ранние многомодовые волокна имели ступенчатый показатель преломления, но затем для снижения дисперсии были разработаны волокна с т.к. градиентным показателем преломления. В таких волокнах отсутствует четкая граница раздела сред, поскольку показатель преломления в них меняется постепенно.

Первыми были созданы волокна с так называемым ступенчатым показателем преломления. Световод состоит из двух частей - ядра (центральной части, оптической среды с определенным показателем преломления, n1) и демпфера (оптической среды с несколько меньшим показателем преломления, n2). За счет разницы в показателях преломления реализуется явление полного внутреннего отражения, что и позволяет передавать сигналы по оптическому волокну на большие расстояния.

12. Виды дисперсии в многомодовых ОВ

Дисперсия - это рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по оптическому волокну. Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон оптического волокна, но и существенно снижает дальность передачи сигналов, т.к. чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

В общем случае дисперсия определяется тремя основными факторами:

-различием в скорости распространения разных мод

-направляющими свойствами оптического волокна

-физическими параметрами материала волокна

Дисперсия мод (она же модальная, модовая, межмодовая или многомодовая дисперсия, в зависимости от литературного источника) приводит к рассеиванию сигнала за счет того, что разные лучи распространяются по разным путям (модам). Одни из них проходят меньшее, другие большее расстояние, в результате чего сигнал размывается по времени. Межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Этот вид дисперсии является основным фактором, затрудняющим передачу сигналов по многомодовым волокнам.

Сперва и одномодовые, и многомодовые волокна имели ступенчатый показатель преломления. Технология изготовления такой продукции была достаточно проста, и она имела большое распространение. Однако со временем выяснилось, что если в одномодовых волокнах ступенчатый показатель преломления приемлем и обеспечивает достаточно хорошие результаты передачи сигналов, то в многомодовых волокнах (в основном именно из-за многомодовости) возникает целый ряд нежелательных эффектов, когда сигнал на выходе размывается и утрачивает исходную форму. Комплексное название этих явлений - дисперсия.

13. Дисперсия в ОВ, ОК и тракте передачи

Влияние дисперсии сказывается в уширении светового импульса при его передачи по оптоволокну. Различают четыре типа дисперсии, каждый из которых вызван теми или иными причинами:

1.Модовая дисперсия.

2.Волноводная дисперсия.

3.Материальная.

4.Профильная.

1. Модовая дисперсия.

Свет, распространяющийся по многомодовому волокну представлен многими траекториями лучей, путь каждой из которых в сердцевине волокна отличается друг от друга

К приемному концу волокна энергия различных мод прибывает с какой-то задержкой во времени по отношению к основной моде. Это вызывает размазывание принятого импульса, что безусловно оказывает деструктивное действие, так как часть размазанной энергии попадает в битовый интервал соседнего бита. Если в этот битовый интервал попадет достаточное количество размазанной энергии, то с вероятностью 50% соседний бит будет принят с ошибкой.

2. Волноводная дисперсия.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена направляющими свойствами световодной структуры, приводящей к нелинейной зависимости постоянной распространения данной моды ОВ от длины волны источника оптического излучения. В многомодовом волокне почти вся световая энергия сконцентрирована в относительно большой сердцевине, в одномодовых волокнах значительная доля света распространяется в оболочке. Поэтому единственная направляемая мода может рассматриваться как распространяющаяся со скоростью, определяемой эффективным показателем преломления, большим чем показатель преломления оболочки, но меньшим показателя преломления сердцевины. Чем больше длина волны, тем большая часть света фундаментальной моды (при прочих равных условиях) распространяется по отражающей оболочке ОВ, и вследствие этого она распространяется в целом быстрее.

В пределах ширины спектра ∆λ излучения источника фазовая скорость распространения направляемых мод неодинакова, что приводит к различной временной задержке частотных составляющих этих мод. Уширение импульса, обусловленное

волноводной дисперсией, определяется выражением

вв V L B( ) ,

где В ( λ ) — удельная волноводная дисперсия, имеющая размерность пс/км·нм. Δλ - ширина спектра излучения источника, обычно соответствует 1-3 нм для лазера

и 20 - 40 нм для светоизлучающих диодов; L - длина линии.

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны γ=ψ(λ). Являясь составной частью хроматической дисперсии (так же как и материальная дисперсия), волноводная дисперсия зависит от ширины передаваемого спектра частот.

Зависимость В ( λ ) от длины волны для одномодового волокна со смещенной дисперсией приведена на рис.1. кривая 1 (кривая 4 соответствует В ( λ ) стандартного волокна). На этом же рисунке кривая 2 соответствует материальной дисперсии, а кривая 3 — результирующей (хроматической) дисперсии оптического волокна со смещенной дисперсией.

3. Материальная дисперсия. Ее можно рассматривать как аналог расширения импульса при передаче его через большой блок стекла. Показатель преломления кварцевого стекла изменяется в зависимости от длины волны (подобно тому, как стеклянная призма разлагает солнечный свет в цвета радуги), и в результате этого различные длины волн распространяются с разными скоростями. Материальная дисперсия является основным механизмом, влияющим на хроматическую дисперсию в одномодовых и градиентных

многомодовых волокнах.

м V L М ( ) ,

где Δλ - ширина спектра излучения источника; М(λ) - удельная материальная дисперсия;

L - длина линии.

В случае дисперсионной среды необходимо различать так называемые фазовую и групповую скорости света в среде.

Удельная материальная дисперсия выражается в пикосекундах на километр длины оптического волокна и нанометр ширины спектра источника излучения, а ее численные значения для различных длин волн приведены на рис. 1 (кривая 2 ) .

м n ( ) м з а в и с и т о т м а т е р и а л а ( о т к о э ф ф и ц и е н т а п р е л о м л е н и я n ) .

Материальная дисперсия - главная составляющая дисперсии в системах с одномодовым волокном. Для систем с многомодовым волокном вклад материальной дисперсии в полную дисперсию фактически незначителен. Основной здесь является модовая дисперсия.

4. Профильная дисперсия обусловлена шероховатостью границ раздела сердцевины и

рабочей оболочки.

пр V L П( ) ,

Где П(λ) - удельная профильная дисперсия; Δλ - ширина спектра излучения источника;

L - длина линии.

14. Стандартное волокно. Волокно со смещенной дисперсией

С точки зрения дисперсии существующие одномодовые волокна, которые широко используются в сетях сегодня, разбиваются на три основных типа: волокна с несмещенной дисперсией SF (Standart Fiber) (стандартные волокна со ступенчатым профилем, волокна со смещенной дисперсией DSF (Dispersion-Shifted Fiber) и волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Все три типа волокон очень близки по затуханию в окнах одномодовой передачи 1310 и 1550 нм, но отличаются характеристиками хроматической дисперсии. Поскольку дисперсия влияет на максимальную допустимую длину безретрансляционных участков, то на первый взгляд естественно возникает желание выбрать волокно с наименьшим возможным значением дисперсии применительно к конкретной задаче, к конкретной длине волны. Это справедливо для случая передачи одной длины волны - одноканальной передачи. Многоканальное волновое мультиплексирование (WDM) в окне 1550 нм диктует иной рационализм. 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 волокна в аспекте эволюции традиционных сетей к полностью оптическим сетям.

а) ступенчатое одномодовое волокно (стандартное волокно), SF;

б) одномодовое волокно со смещенной дисперсией (волокно со специальным профилем), DSF.

Волокно SF (стандартное волокно).

Вначале 80-х годов передатчики на длину волны 1550 нм имели очень высокую цену и низкую надежность и не могли конкурировать на рынке с передатчиками на длине волны 1300 нм. Поэтому стандартное ступенчатое волокно SF (рис. 1, а), стало первым коммерческим волокном и сейчас наиболее широко распространенно в телекоммуникационных сетях. Оно оптимизировано по дисперсии для работы в окне 1310 нм, хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.

Волокно DSF (волокно со смещенной дисперсией).

По мере совершенствования систем передачи на длине волны 1550 нм встает задача разработки волокна с длиной волны нулевой дисперсии, попадающей внутри этого окна.

Витоге в середине 80-х годов создается волокно со смещенной дисперсией DSF, полностью оптимизированное для работы в окне 1550 нм, как по затуханию, так и по дисперсии. На протяжении многих лет волокно DSF считается самым перспективным волокном. С приходом более новых технологий передачи мультиплексного оптического сигнала, большую роль начинают играть эрбиевые оптические 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.

Дальнейшее исследования подтверждают ограниченные возможности DSF при использовании в системах WDM. Чтобы избежать нелинейных эффектов при

использовании DSF в WDM системах, следует вводить сигнал меньшей мощности в волокно, увеличивать расстояние между каналами, и избегать передачи парных каналов (симметричных относительно λ0).

Четырехволновое смешивание - это эффект, приводящий к рассеянию двух волн с образованием новых нежелательных длин волн. Новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ним, или перекачивать мощность из полезного волнового канала. Именно из-за эффекта четырехволнового смешивания стало ясно, что необходимо разработать новый тип волокна, в котором λ0 располагалась бы вдали, то есть, по одну сторону (левее или правее) от всех возможных каналов.

15. Волокно с ненулевой смещенной дисперсией

Волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber) создается в начале 90-х годов с целью преодолеть недостатки DSF (волокна со смещенной дисперсией), проявляющиеся при работе с мультиплексным оптическим сигналом. Известное также как λ-смещенное волокно, оно имеет особенность в том, что длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы полосы пропускания эрбия ( химический элемент, лантаноид). Это уменьшает нелинейные эффекты и увеличивает характеристики волокна при передачи DWDM сигнала.

Стандартное одномодовое волокно имеющее ступенчатый профиль показателя преломления было разработано так чтобы нулевое значение дисперсии пришлось на длину волны 1.31 мкм (2 окно прозрачности) со временем оказалось что более перспективным с точки зрения оптической связи является длинна волны 1.55 мкм 3 окно прозрачности. Было разработано волокно с нулевой дисперсией на длине волны 1.55 мкм, так называемое волокно со смещенной дисперсией. Это было сделано путём изменения профиля показателей преломления, что увеличило волноводную дисперсию. След шаг волокно со смещенной нулевой дисперсией позволившего решить задачу подавления нелинейных эффектов. Этот тип волокон обеспечивает наибольшую пропускную способность и протяженность регенерационного участка.

16. Конструкция ОК

Рис. 1.

Основной частью конструкции сердечника OK является модуль – самостоятельный конструктивный элемент кабеля, содержащий одно или несколько ОВ с защитными покрытиями,

расположенными

в

з а щитной

полимерной

трубке

с

гидрофобным

заполнителем

или без

него. Модули

бывают трубчатые (рис 1, а), где 1 – ОВ, 2 — гидрофобное заполнение, 3 — защитная оболочка, профильные, когда единицы и групп ы ОВ размещаются в спиралеобразных пазах профилированного элемента, (рис 1, б, где 1 — ОВ, 2 — защитная оболочка, 3

— демпфирующая оболочка, 4 — упрочающий стержень, 5— профилированный элемент, а также ленточные — г р у п п ы из 4..12 волокон расположены в один ряд между двумя склеенными синтетическими лентами, из которых формируется вертикальный блок в зависимости от требуемого числа ОВ в кабеле; единичный блок заключается в полимерную трубку, несколько блоков размещаются в пазах профилированного элемента (рис. 1 в ) , где 1 — ОВ, 2— защитная оболочка, 3 — профилирующий элемент, 4 — демпфирующая оболочка. В соответствии с образующими их модулями кабели называются трубчато-модульными, профильно-модульн ы м и и ленточно-модульными.

Рис. 2

Во всех случаях кабель может содержать один модуль, расположенный, как правило, в центре (рис. 2, а ) одномодульная конструкция или несколько скрученных модулей, расположенных вокруг центрального силового элемента, —

многомодульная конструкция (рис. 2, б) , где 1 — ОВ, 2 — защитная оболочка, 3 — демпфирующая оболочка, 4 — упрочающиеся элементы. Иногда одинарный трубчатый модуль расположен н е в центре, а в повиве, при этом конструкция сердечника соответствует многомодульной.К этому перечню следует добавить также одноволоконные кабели, в том числе для внутристоечных соединений, кабели для подводной прокладки и кабели для подвески на высоковольтных линиях электропередачи или вдоль л и н и й контактной сети на железных дорогах.

17. Анализ потерь при соединении ОВ и ОК

Соединение ОВ происходит с помощью сварочного аппарата. Это высокоточное, автоматическое оборудование. При сварке волокна аппарат автоматически замеряет потерю на стыке. Оно должно быть ~0,05 дБ.

Потери ВОЛС складываются из трёх моментов:

1.потерь оптического волокна;

2.кабельных потерь;

3.потерь при соединении оптического кабеля.

Потери оптического волокна обусловлены недостаточной прозрачностью и неоднородностью структуры ОВ.

Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает

потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние.

Потери на поглощение состоят из собственного поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглощения световых квантов ионами металлов посторонних примесей, представляющих собой вредные примеси в плавленом кварцевом стекле, из которого изготавливают волокна.

Рассеяние может быть обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны.

Рассеяние называется рэлеевским, если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны.

Эффект рэлеевского рассеивания проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления. При этом угол падения луча на границу сердцевина – оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения, и луч выйдет из волокна. По этой же причине часть лучей может начать распространяться в обратном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому, чем большая длина волны использована при передачи световых сигналов по оптическому волокну, тем меньше потери в нем на рэлеевское рассеяние.

Кабельные потери ОВ расс погл обусловлены рядом факторов:

1.к1-остаточными термомеханическими напряжениями, как результат термического и механического воздействия;

2.к2 - температурными изменениями при эксплуатации ОК;

3.к3 - напряжением кручения (скрутка волокон порождает некоторое затухание);

4.к4 - потерями прямолинейности из-за скрутки;

5.к5 – микроизгибами.

Микроизгибом волокна называется изгиб оптического волокна, который влечёт за собой смещение волокна порядка нескольких микрон относительно его оси, обусловленное различием боковых давлений на волокно по его длине. Для уменьшения потерь обусловленных микроизгибом, необходимо не допускать усилий, случайно прикладываемых к волокну вдоль его оси при изготовлении кабеля, а также во время и после прокладки кабеля;

6. защитными покрытиями.

На волокно наносится покрытия - ПЗП, ВЗП, которые стягивают и напрягают волокно, в результате чего возникают затухание в кабеле;

7. к7 – неоднородностью защитного покрытия.

Рассмотрим график зависимости величины затухания кабеля от длины волны для ММ и ОМ ОК.

При соединении длин кабелей могут появиться дополнительные потери. Они возникают:

Из-за продольного смещения длин кабелей при их соединении:

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис. 17.2

A

S

10lg

d Stg A

.

(17.1)

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

Из-за поперечного смещения длин кабелей

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]