Оптические системы связи / 3_Volokonno-opticheskie_sistemy_svyazi_Friman_R

Рис. 1.3. Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны (показаны три окна прозрачности, используемые для ВОСП).

На рис. 1.3 показаны три основных окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для ВОСП. Это

-820-900 нм;

-1280-1350 нм;

-1528-1561 нм.

Причем последнее окно может быть расширено до 1620 нм (Эта область обычно называют четвертым окном прозрачности). Если оценить частоты, соответствующие последнему окну и его расширению, то, используя уравнение (1.1), можно получить для 1528 и 1620 нм соответственно F1 и F2:

F1 3 108 /1528 10 9 1,96 1014 Гц = 196 ТГц

F2 3 108 /1620 10 9 1,85 1014 Гц = 185 ТГц

Вычитая F2 из F1 получим, что полезная рабочая полоса этих окон равна 11 ТГц, или 11000 ГГц. Эта ширина полосы в 110 раз больше той, что может быть использована в радиочастотной части спектра [1.1].

Полезная ширина полосы одиночно излученного светового импульса определяется импульсной передаточной функцией рассматриваемого опти-

ческого волокна (ОВ). Математический вывод такой передаточной функции довольно сложен и серьезен и выходит за рамки нашей книги. Но мы постараемся представить его схематично. Пусть Во — ширина полосы ОВ, а Вс полученная после детектирования ширина полосы результирующего электрического сигнала. Учитывая, что оптическая ширина полосы волокна определяется импульсной передаточной функцией этого волокна, можно показать, что измеренная на уровне -3 дБ (по мощности) оптическая ширина полосы Во оценивается с помощью показателя - полная ширина полосы на уровне половины от максимума (FWHM), формулой вида

Во = 441/FWHM (1.2)

полагая, что функция (1.2) имеет вид гауссовской кривой, Во измеряется в МГц, a FWHM - в нс.

Далее можно показать, что время нарастания t можно оценить через Во с помощью формулы вида

Оптическая ширина полосы определяется аналогичным образом, как полоса радиосигнала, отсчитанная на уровне —3 дБ по мощности. Это можно соотнести непосредственно с током /в оптическом детекторе. Так, известно, что электрическая мощность, генерируемая в таком детекторе, пропорциональна I2, поэтому уровень —3 дБ оптической мощности (определяемый как уровень, соответствующий 50% уменьшению тока I) приведет к уровню —6 дБ электрической мощности (определяемому как уровень, соответствующий 75% уменьшению тока I2). Таким образом, уровень -3 дБ оптической ширины полосы равен уровню -6 дБ электрической ширины полосы частот. Это не используется и не будет определятся в дальнейшем. Однако из этого следует, что ширина электрической полосы частот на уровне —3 дБ должна быть меньше, чем ширина оптической полосы на том же уровне -3 дБ. И, хотя математическая сторона этого дела не так проста, если функция имеет форму гауссовой кривой, то можно показать, что

На рис. 1.3 читатель должен заметить так называемый пик поглощения света «водой», расположенный приблизительно на длине волны 1400 нм (фактически на 1383 нм). «Вода» характеризуется наличием примесей в волокне, но показанный нами пик поглощения вызван фактически наличием радикалов ОН-. Результатом этого является высокий уровень поглощения вокруг 1400 нм [1.3].

1.3.Волоконно-оптический световод как среда передачи

1.3.1.Конструкция световода

Жила ОВ может быть названа оптическим световодом. Можно предположить, что этот термин был заимствован у радистов, использующих аналогичное понятие — волновод. На рис. 1.4 показана жила волокна и составляющие ее части. Конечно, ее изображение существенно увеличено и схематично, чтобы заострить внимание на ряде моментов. На нем видно, что жила ОВ состоит из внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными. На рис. 1.4 показано внешнее пластиковое покрытие.

Рис. 1.4. Основная конструкция оптического волокна

Обычно, показатель преломления сердцевины обозначают как n1, тогда

как показатель преломления оболочки обозначают как n2. Это важные параметры и мы рассмотрим их ниже. Когда жила ОВ спроектирована так, что n1 n2, то структура: сердцевина-оболочка, ведет себя как волновод. Кварцевое стекло (SiO2) является основным материалом, как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси, такие как бор или германий.

Из физики известно, что показатель преломления среды равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в данной среде. По определению показатель преломления вакуума равен 1.

1.3.2. Как свет распространяется по волоконно-оптическому световоду

Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рис. 1.5 демонстрирует картину при различных углах падения. Рис. 1.5(а) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рис. 1.5(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рис. 1.5(в) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Рис. 1.5. Путь лучей для нескольких углов падения, n1 n2, где n1 и п2 — показатели преломления двух различных сред (рис. 4, с.15 в [1.2]).

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, это нормализованная частота V:

где а — радиус сердцевины, n2 для ОВ без оболочки = 1,

n1 n2 / n1

Член n12 n22 в уравнении (1.5) называется числовой апертурой (NA). В сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светособираюшую способность волокна. Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NA. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Для лучшего понимания числовой апертуры, рассмотрим рис. 1.6, который иллюстрирует конус света, воспринимаемого волокном. Как показано в формуле ниже этого рисунка, угол этого конуса определяется равенством sinqA = NA. Концепция светособирающей способности волокна, выраженная численно с помощью NA, хорошо иллюстрируется графически этим приемным конусом.

Как показано на рис. 1.1, существует три основных элемента ВОСП: источник, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) и оптический детектор. Что касается ВОЛС, то существуют два основных параметра, которые ограничивают ее длину без использования повторителей, или длину секции между двумя повторителями. Этими наиболее важными параметрами являются потери, обычно выражаемые в дБ/км, и дисперсия, которая часто выражается в виде эквивалентного произведения ширины полосы на длину

(линии) - МГц км. (Это произведение называется обычно коэффициентом широкополосности, он используется как показатель только для многомодовых ОВ или ВОК). Длина линии может быть ограничена мощностью (бюджетом мощности), т.е. может ограничиваться потерями, или может ограничиваться дисперсией (накопленной дисперсией).

Дисперсия, проявляющая себя в виде межсимвольной интерференции на удаленном конце, вызвана двумя факторами. Один из них —

материальная дисперсия, а другой — модовая дисперсия. Материальная дисперсия вызвана тем, что показатель преломления материала изменяется с частотой. Модовая дисперсия возникает, если оптоволоконный волновод поддерживает несколько мод. В этом случае различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости и их максимумы энергии достигают детектор в различные моменты времени. Учитывая, что в большинстве оптических источников возбуждаются много мод, можно предположить, что они, распространяясь по оптоволоконному волноводу с разной задержкой, приводят к искажениям (дисперсии). Уровень искажений зависит от того, какое количество энергии разных мод доходит в определенный момент времени до входа детектора.

Один из путей уменьшения числа мод, распространяющихся в волокне, лежит в изменении конструкции или размеров волновода. Если вернуться снова к уравнению (1.5), то видно, что число мод, распространяющихся в волокне, можно ограничить путем уменьшения радиуса а при сохранении отношения n2/n1 малым настолько, насколько практически возможно, на-

пример, 1,01 или меньше.

Мы можем оценить число мод N, которые волокно поддерживает, используя формулу (1.6). Если V = 2,405, то распространяется только одна мода (НЕ11). Если V больше, чем 2,405, то может распространяться больше, чем одна мода. При относительно большом числе распространяющихся мод можно получить следующую оценку:

N=V 2/2 (1.6)

Более детально дисперсия обсуждается в гл.7.

Обратите внимание на то, что внешний диаметр обоих типов волокон одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового волокна и 8,6- 9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие значения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является 62,5 мкм.

2.1.2. Три типа оптических волокон

На рис. 2.2 показана конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (рис. 2.2(а)) и градиентный (рис. 2.2(б)) для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от п1 к п2) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.

Рис. 2.2. Конструкция и профили показателей преломления: ступенчатый (а) и градиентный (б) для многомодового волокна.

Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном. Для многомодового волокна со ступенчатым профилем показателя преломления коэффициент широкополосности, характеристика,

рассмотренная выше, имеет порядок 10-100 МГц км, при условии, что повторители расположены на расстоянии 10 км, можно передать полосу частот шириной от 1-10 Мгц.

Градиентный профиль показателя преломления делает многомодовое волокно существенно дороже, чем при ступенчатом профиле, однако дает возможность улучшить коэффициент широкополосности. Так, если в качестве источника света используется лазерный диод, то можно довести коэффициент широкополосности до 400-1000 МГц км. Если же в качестве источника используется СИД, имеющий существенно более широкий спектр излучения (см. материал гл. 4), то с тем же градиентным волокном можно рассчитывать на коэффициент широкополосности порядка 300 МГц км или выше. Принципиальным ограничивающим фактором в этом случае является материальная дисперсия (см. дискуссию в гл. 6 на эту тему).

На рис. 2.3 показаны профили показателя преломления и характер распространения мод для указанных трех типов ОВ на основе кварцевого стекла.

Одномодовое волокно проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода. Благодаря этому V < 2,405 (см. формулу 1.5). В таком волокне нет модовой дисперсии просто потому, что распространяется только одна мода. Типично, мы можем встретить волокно с показателями преломления п1 = 1,48 и п2 = 1,46. Если бы длина волны оптического источника света была 820 нм, то для осуществления одномодовых режимов работы потребовалось бы волокно 2,6 мкм, что, конечно мало для современных систем. Рис. 2.3(в) иллюстрирует профиль показателя преломления одномодового волокна. Этот тип волокна демонстрирует значительно лучшие значения коэффициента широкополосности среди описанных трех типов волокон.

Как уже отмечалось в гл. 1, числовая апертура (NA) является мерой светособирающей способности сердцевины волокна. Из рис. 2.1 видно, что значительно больший диаметр многомодового волокна приводит к большим значениям числовой апертуры NA (порядка 0,22), тогда как существенно меньший диаметр одномодового волокна ухудшает сбор света от источника.