2.8. Разновидности и применение одномодовых световодов (омвс)

2.8.1. Как уже отмечалось ранее, из анализа дисперсионных характеристик ВС следует, что условием одномодовости принято считать условие отсечки высшей моды , т.е.

или , (2.25)

где ;. Например, для;;получим. Практически измеренное значение, т.е. условие (2.25) дает некоторый запас и объясняется приближениемLP-мод. Между выбором инужен компромисс, так как для очень малыхполучим, условия ввода энергии при этом улучшаются, но резко увеличиваются потери на изгибах. Для значенийполучим, что вызывает технологические трудности и трудности ввода энергии в ВС.Современные ОМВС имеют и.

2.8.2. По рекомендации Международного союза электросвязи, сектора стандартизации электросвязи МСЕ-Т (ITU-T) диапазоны длин волн ОМВС имеют следующие обозначения, показанные в табл. 2.1 [16].

Таблица 2.1

Услов-ные обозначения	Наименование	Диапазон, нм	Окно прозрачности ,нм	Примечание
О	Основной (original)	1260-1360	II 1280-1325	Местные сети
Е	Расширенный (expended)	1360-1460	V 1350-1530	С устранением пика поглощений гидроксильной группы ОН
S	Коротковолновый (short)	1460-1530
С	Стандартный (convensional)	1530-1565	III 1530-1565	Магистральные ВОЛС с эрбиевыми оптическими усилителями (ЭОУ)
L	Длинноволновый (long)	1565-1625	IV 1580-1625	Стоимость 1 бита в 2 раза выше, чем в диапазоне С
U	Сверх-длинноволновый (ultra long)	1625-1675		не освоен

2.8.3. Исторически первые ОМВС имели ступенчатый ППП и называются стандартными. Их параметры регламентируются рекомендациями G.652 (рис. 2.14,а). Общепринятые обозначения таких ВС: SF, SSF, SSMF.

Основным недостатком таких ВС является высокая чувствительность к изгибам.

Для снижения этой чувствительности и, следовательно, для уменьшения потерь применяется W-ППП (рис.2.14,б) с двойной оболочкой. Такие ВС, как и стандартные, могут работать во II и III окнах прозрачности. Разность

зависит от температуры и при повышении её до 100°С может от значения увеличиться до , что приведёт к увеличению NA и нарушению

условия одномодовости. В результате часть энергии переходит в высшее моды,

т.е. увеличиваются потери до (необходимо NA=0,003-0,005).

а б

Рис.2.14. Стандартные и W-ППП

2.8.4. Основную роль в ОМВС играет материальная дисперсия, которая определяется зависимостью или (см. рис.2.4).

; (2.26)

При этом длина волны называется длиной волны нулевой дисперсии,мкм в зависимости от вводимых примесей в . Положительная дисперсия называется нормальной, а отрицательная

– аномальной. Для чистого .

В последнее время для математического описания материальной дисперсии используется разложение постоянной распространения в материале волокна

в ряд Тейлора вблизи несущей частоты [8]:

(2.27)

где – определяет групповую скорость, т.е. ; называется групповым коэффициентом преломления;

– определяет материальную дисперсию, откуда можно получить связь .

Рис. 2.15. Коэффициенты материальной - и внутримодовой - дисперсии

Другой вид дисперсии – внутримодовая меньше материальной и проявляется сильно только вблизи из-за зависимости . Так как при малых V большая часть энергии распространяется в оболочке, то и в материальной и во внутримодовой дисперсиях учитываются параметры оболочки. По аналогии с материальной дисперсией вводится коэффициент волноводной дисперсии:

, (2.28)

где – волновой показатель замедления (рис. 2.5,б).

График функции приведён на рис.2.15 для разных значений диаметра сердцевины 2a. Из графиков и на рис.2.15 видно, что возможна компенсация материальной и внутримодовой дисперсии и изменение длины волны суммарной нулевой дисперсии. Для стандартного ВС получается . Сумма материальной и внутримодовой дисперсии называется хроматической дисперсией и может быть представлена в виде

. (2.29)

Внутримодовую дисперсию следует учитывать в случаях, когда значительно уменьшена материальная дисперсия.

Известны и другие выражения аппроксимации зависимостей материальной и внутримодовой дисперсий, например, в [20].

Кроме диаметра сердцевины, внутримодовая дисперсия зависит от профиля показателя преломления (ППП). Для этого используются более сложные законы ППП с увеличенным числом слоёв. При этом удается создать волокно со значи-

тельно сниженной дисперсией в широкой полосе длин волн мкм. Такие ВС называются ВС со смещенной нулевой дисперсией (DSF). При мкм коэффициент поглощения (рекомендации G.653).

Рис.2.16. ППП ВС со смещенной дисперсией DSF

Для количественного выражения полной (хроматической) дисперсии в паспортных данных современных одномодовых волокон используются следующие параметры [15]:

- дисперсионный параметр (коэффициент хроматической дисперсии)

, (2.30)

где β₁,β₂ – коэффициенты разложения постоянной распространения β(ω) в ВС с учётом материальной и внутримодовой дисперсии.

Для мкм типичное значение для стандартного ВС (SSF)

.

При этом связь с выражением для хроматической дисперсии (2.29) имеет вид . Отметим, что знаки нормальной и аномальной дисперсии для D изменяются. В современной литературе параметр D часто называется просто дисперсией ОМВС;

-коэффициент наклона дисперсионной характеристики (предполагается линейный характервблизи λ₀); типичное

значение в точке нулевой дисперсии для SSF (мкм)

;

- относительный коэффициент наклона дисперсионной характеристики . Типичное значение RDS=0,0053[1/нм].

Зависимость параметра хроматической дисперсии от для стандартного ВС можно выразить [ 12,15], как

. (2.31)

Рис. 2.17. Зависимости коэффициентов дисперсии для разных типов ВС

На рис. 2.17 показаны зависимости коэффициентов дисперсии материала -, волноводной - и значения при их компенсации для двух типов ВС.

В параметрах ОМВС указывается обычно не диаметр сердцевины я площадь сечения . При этом , где для SSF и для DSF (в зависимости от ).

2.8.5. В ОМВС применяется оптическое спектральное уплотнение или волновое мультиплексирование/демультиплексирование (WDM), позволяющее в одном диапазоне ОМВС передавать до нескольких десятков каналов с разностью частот или(см. п.р. 4.3), и уплотнение еще более высокой плотности (DWDM)- или .

В ОМВС типа SSF и DSF из-за высокой плотности потока мощности даже при мощности источника возникаютнелинейные эффекты (см.р.6), приводящие к возникновению комбинационных частот, которые могут совпадать с частотами соседних каналов. Влияние этих комбинационных частот особенно сильно при условии фазового синхронизма, когда совпадают фазовые скорости основных и комбинационных частот, что и происходит при нулевой дисперсии в ВС и является основным недостатком ВС с смещенной нулевой дисперсией (DSF). Поэтому были разработаны ВС со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF) для которых D может быть или положительным (+), или отрицательным

(-), со сниженным влиянием нелинейных эффектов и с малым наклоном . Фактически в этом случаесдвигается за пределы стандартного диапазонаС. Например, дляNZDSF- , или дляNZDSF+.

2.8.6. В тех случаях, когда скомпенсированы материальная и внутримодовая дисперсии, необходимо учитывать поляризационную модовую дисперсию (PMD), которая возникает из-за нарушения изотропии материала волокна за счет сдавливания волокон (явление двойного лучепреломления) или их несимметричности. При этом для двух поляризаций будут разные коэффициенты распространения и . Оказывается, что мода проникает в оболочку глубже и поэтому имеет меньшую скорость распространения (). Поляризационная дисперсия (PMD) нелинейно зависит от длины линии и учитывается вероятностными соотношениями

, (2.32)

где – коэффициент поляризационной дисперсии, зависящей от типа ВС.

Например, для SSF при . Окончательно полная дисперсия ОМВС выражается как

. (2.33)

Для некоторых применений, например для волоконно-оптических датчиков (ВОД) (см.р.12), необходимо использовать ВС, сохраняющий состояние поляризации (ВСП). Для сохранения линейной поляризации применяются аксиально несимметричные ВС, в которых может распространяться или мода только одной поляризации или две моды и различной поляризации, но с большой разницей постоянных распространения. Выполняются такие ВС с различной

формой поперечного сечения с несимметрией внутри оболочки или сердцевины. В настоящее время наиболее распространены ВС эллиптическим сердечником (рис.2.18), которые выпускаются на следующие длины волн ; 0,85; 0,98; 1,3; 1,55 мкм.

Рис. 2.18. ВС с сохранением линейной поляризации

2.8.7. Согласно МСЕ-Т (ITU-T) принята следующая классификация ОМВС по типу дисперсии (таб. 2.2).

Таблица 2.2

№	Реко-менда-ции и подклассы	Наименов. рекомендации	Основные признаки	Оптими-зирован-ные. диапазо-ны ,нм	Рекомендации для ВОСП
1	G.652. A	при	Нулевая дисперсия ине смещены (стандартные-SF,SSF,SSMF). Большие затраты на	1260-1360 (0)	Для магистральных и зоновых плезиохронных (ПЦИ) и синхронных

Продолжение табл. 2.2

				устранение дисперсии		1530-1565 (С)	(СЦН) систем с оптическими усилителями; 12 каналов WDM
	G.652.С (модифика-ция)			C устраненным пиком поглощения ОН =1383нм=0,31дБ/км		1260-1625 (Е)	То же, но возможно 16 каналов СWDM с компенсацией дисперсии через 80 км.
2		G.653. A	при	Смещенная нулевая дисперсия (DSF) Специальный ППП (2х- слойная оболочка). Минимум ; нелинейные эффекты при P>10мВт		1530-1565 (C) (возможно до 1625)	Для магистральных синхронных сетей WDM с неравномерным распределением каналов (подводные ОК);
3		G.654 .A	при		Со смещенной (увеличенной) ; - минимальный	1500-1600 (возможно до 1625)	Длинные магистральные ВОЛС. Малое распространение
4		G.655 .A	При		С ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF - ) Подавляются нелинейные эффекты, но плохо; 4 – слойная оболочка; .увеличена ; низкий наклон дисперсионной характеристики	1530-1565 (C) (возможно до 1625)	Синхронные ВОСП, DWDM,(80 каналов при). При без компенсации дисперсии

Окончание табл. 2.2

5

G.655 .B

при при при

Увеличена ; низкий наклон дисперсионной характеристики; специальный ППП (A-NZDSF + ); уменьшены нелинейные эффекты;

1535-1565 (C)

Синхронные ВОСП, DWDM, 160 каналов при (). До 200 км не требуется компенсация дисперсии. Возможно в перспективе ()

На рис. 2.19 показаны дисперсионные характеристики некоторых рассмотренных типов ВС.

Рис. 2.19. Дисперсионные характеристики разных типов ВС

В последнее время появились новые типы ВС с увеличенным диапазоном , меньшим наклономи уменьшенными нелинейными эффектами (True Wave, All Wave,Metro-Сor и др.). Например, Metro NZDSF – во всех диапазонах имеет D<0 (отрицательное Metro NZDF).

При прямой модуляции ЛД возникает так называемый эффект “чирпа”– внутриимпульсной ЧМ, что увеличивает дисперсию. В ВС с отрицательной D ВЧ – компоненты идут быстрее и отрицательное D компенсирует эффект “чирпа” –

импульс сжимается до l=100 км, а потом опять расширяется, но длина участка регенерации увеличивается до 300-400 км.