Ответы на вопросы по 1-ой лабе:

1. Конструкция оптических волокон. Числовая апертура. Диаметр модового поля.

Конструкция оптических волокон.

В настоящее время в оптических кабелях (ОК) связи используются кварцевые слабонаправляющие ОВ коаксиальной конструкции с двумя и более слоями. В распределительных ОК структурированных кабельных систем может использоваться ОВ с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой. Кроме того для применения в локальных сетях, сетях доступа и различных датчиках могут использоваться полимерные ОВ.

Общий вид двухслойного коаксиального волокна представлен на рис. 3.3. Такое волокно состоит из сердцевины, заключенной в оболочку, поверх которой наложено первичное защитно-упрочняющее покрытие (ЗУП).

сердцевина, n₁

оболочка, n₂

акриловое покрытие

n₁>n₂

Рис. 3.3. Конструкция ступенчатого ОВ

Сердцевина и оболочка ОВ выполнены из кварцевого стекла. Для того, чтобы наблюдалось явление полного внутреннего отражения необходимо, чтобы выполнялись условие

n₁>n₂,

где n₁ – показатель преломления сердцевины, n₂ – показатель преломления оболочки.

Для этого сердцевина ОВ может легироваться присадками, повышающими показатель преломления: окись германия (GeO₂), алюминия (Al₂O₃), фосфорного ангидрида (P₂O₅), титана (TiO₂), цезия (Cs₂O) или циркония (ZrO₂).

Либо оболочка ОВ легируется окисью бора (B₂O₃) или фтора (F) для понижения показателя преломления. Причем, как правило, примеси добавляются только в ту часть оболочки, что прилегает к сердцевине.

При производстве телекоммуникационных волокон в основном используется метод легирования сердцевины германием. При необходимости обеспечения минимального затухания может применяться ОВ с чистой кварцевой сердцевиной и оболочкой, легированной фтором.

Защитно-упрочняющее покрытие выполняет функции защиты ОВ от внешних механических воздействий и воздействия влаги. Основными требованиями к ЗУП являются стабильность характеристик в широком диапазоне рабочих температур, химическая и механическая совместимость с кварцевой оболочкой и остальными материалами кабеля. ЗУП должно обеспечивать стабильную адгезию в течении всего срока службы и в то же время легко (с усилием порядка 1.3… 8.9 Н) механически удаляться при помощи стриппера.

В качестве ЗУП в настоящее время широко используются акриловые соединения: эпоксиакрилат и уретанакрилат. ЗУП накладывается на этапе вытяжки ОВ из заготовки в два слоя, каждый из которых отверждается под действием ультрафиолетового излучения. Первый слой обладает хорошей адгезией с кварцевой оболочкой, имеет модуль упругости порядка 0.7 МПа и выполняет функции защиты ОВ от внешних сжимающих усилий. Второй слой имеет модуль упругости на три порядка выше и образует твердое наружное покрытие, обеспечивающее механическую прочность ОВ и защиту от действия влаги.

Геометрические размеры типовых телекоммуникационных ОВ приведены в таблице 3.1.

d_c

d_o

^dЗУП

Рис. 3.4. Сечение ОВ

Таблица 3.1. Геометрические размеры ОВ

	Одномодовое ОВ	Многомодовое ОВ
Диаметр сердцевины dc, мкм	8-10	50
		62.5
Диаметр оболочки dо , мкм	125	125
Диаметр ЗУП dЗУП , мкм	250	250

Числовая апертура.

Числовая апертура -  синус максимального угла падения луча света для оптических приборов, или же синус максимального входного угла волновода или оптоволокна.

 Есть два различных значения термина «числовая апертура» (ЧА), используемых в контекстах волоконной оптики и оптики изображений.

Числовая апертура оптического волокна или волновода

В лучевой (геометрической) оптике луч можно рассматривать как световой пучок, который распространяется в воздухе и попадает в сердцевину (перпендикулярно разрезу) волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с большой площадью поперечной моды. Числовая апертура (ЧА) волокна - это синус максимального угла падения луча по отношению к оси волокна, при котором свет входит в сердцевину и далее распространяется по волокну. ЧА определяется как разница показателей преломления сердцевины и оболочки,

 

 

которое может быть определено также из условия, что луч вводится в волокно под углом полного внутреннего отражения. Здесь, n₀ -показатель преломления среды вокруг волокна, который близок к 1-в случае воздух.

 

Аналогичным образом, ЧА также может быть определена и для других видов волноводов.

Для описания распространения света в волокнах с малой площадью сердцевины (например, для одномодового волокна) необходимо рассматривать волновую природу света. Геометрическая оптика не может быть использована для описания распространения света в таких волокнах. Однако приведенное выше уравнение все еще может быть использовано для расчета ЧА через показатели преломления. Сложнее расчет ЧА для непрямоугольного (неступенчатого) профиля показателя преломления.

 

Высокой числовой апертуре соответствует большая расходимость пучка на выходе из оптического волокна, но также эта расходимость излучения зависит от диаметра сердцевины. Для волокон с профилем показателя преломления, отличным от ступенчатого (то есть в таких, где сердцевина не имеет постоянного показателя преломления), эффективная числовая апертура может быть определена на основе эквивалентногоступенчатого профиля показателя преломления. Иначе, ЧА можно вычислить, зная максимальный показатель преломления в сердцевине.

 

Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но может варьироваться примерно от 0.05 до 0.4.Многомодовые волокна обычно имеют более высокую числовую апертуру, например, 0.3. Очень высокие значения возможны для фотоннокристаллических волокон.

 

Для волокон с большой ЧА:

- Для заданной площади моды, волокна с более высокой ЧА лучше проводят свет, т.к. они в целом поддерживают большее число мод.

 

- В одномодовых волокнах меньше диаметр сердцевины волокна. Соответствующая площадь моды меньше, а расхождение пучка на выходе из волокна больше. Нелинейные свойства волокна, соответственно, больше. С другой стороны, одномодовые волокна с большой площадью моды должны иметь низкую ЧА.

 

- Уменьшаются потери на изгибах волокна; волокно может быть более сильно согнуто прежде, чем потери изгиба становятся существенными.

 

- Уменьшается чувствительность свойств волокна к случайным колебаниям показателя преломления (для волокон с большой площадью моды с низкой ЧА это может быть проблемой).

 

- Более высокая концентрация примеси (например германия), как требуется для создания большой разницы показателей преломления, может увеличить потери за счет рассеяния.

Диаметр модового поля.

Существует два понятия описывающих одномодовые волокна: диаметр светопроводящей сердцевиныоптоволокна и диаметр модового поля (MFD). Первое понятие чаще используется на вводных лекциях по теории оптической передачи. В стандартах же и спецификациях указывается "диаметр модового поля" или "диаметр модового пятна".

Некоторое различия в словосочетаниях диаметр модового поля, диаметр модового пятна, диаметр поля моды возникли из-за варианотов перевода английского термина "Mode field diameter (MFD)"

Далее представлен отрывок из учебника раскрывающий значение термина "поле моды"

Шарварко В.Г. Волоконно-оптические линии связи. Учебное пособие (2006) 2.6 Особенности работы оптических световодов

… В случае одномодовых волокон оказывается, что достаточно большая часть мощности распространяется в оболочке, хотя и убывает по экспоненте как поверхностная волна. Эта часть мощности вызывает так называемые моды оболочки.

В одномодовых волокнах это явление оценивается диаметром d_пм или радиусом r_пм поля моды (рис.2.9,в). При этом считается, что распространение по радиусу имеет гауссовый вид: I(r)=ехр(-r/r_пм), d_пм=2r_пм (пм - пятно моды).

Экспериментально измеренное значение диаметра поля моды d_пм=2r_пм по уровню 1/e² от максимума больше диаметра сердцевины и нормируется как один из параметров волокна, точным образом зависящий от длины волны (рис.2.11).

   Рис.2.9. Ход лучей на границе (а) и диаметр модового поля (б)    Рис.2.10. Отношение доли мощности, распределяющейся в оболочке Р₀ к доли мощности в сердцевине Р_В    Рис.2.11. Поперечное распределение интенсивности в ВС

После всех этих формул и графиков можно сделать простые выводы:

- диаметр модового поля всегда больше диаметра сердечника

- диаметр модового поля зависит от длины волны света в оптоволокне и в стандартах указывается применительно к определённой λ

- диаметр модового поля зависит от профиля коэффициента преломления оптоволокна

Почему "диаметр сердцевины" не описывается в стандартах

Иногда рассматривая рисунки подобные тому, что слева, можно представить себе, что светопроводящая сердцевина механически может быть отделена от волокна. Но на самом деле оптическое волокно это цельная кварцевая нить и даже оптически выделить в нём сердцевину можно только специальным оборудованием. Пример система юстировки волокон PAS

Изменение показателя преломления в современных оптических волокнах зачастую не определяет какого-либо чёткого световода. Как ядро, так и окружающее его стекло может иметь сложный профиль, созданный таким для улучшения различных характеристик. И, соответственно, понятие диаметр сердцевины уже не отражает оптических характеристик волокна.

Далее пример различных профилей оптических волокон

      Рис. 1.2. Профили показателя преломления в одномодовых волокнах  Со страницы Типы оптических волокон

Сердцевину здесь, конечно же, выделить можно, но её размеры и плотность светового потока в различных её точках не однородна. Поэтому и понятие "диаметр сердцевины" в описаниях свойств одномодовых волокон не используется

 Спектральная зависимость коэффициента затухания, составляющие потерь в оптическом волокне. Нормы коэффициента затухания стандартных одномодовых ОВ.

Спектральная зависимость коэффициента затухания, составляющие потерь в оптическом волокне.

Спектральная характеристика коэффициента затухания оптических волокон

Затухание характеризует потери оптической мощности при распространении оптических сигналов в волокне.

На рис. 1.17 представлена эволюция спектральной характеристики коэффициента затухания оптических волокон [48].

На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко просматривается резкое уменьшение затухания на длинах волн, лежащих в области трех окон прозрачности (850 нм, 1300 нм и 1550 нм). Технология производства оптических волокон совершенствуется, и к 1990 г. наблюдается сглаживание характеристики, по сравнению с более ранним периодом, а также яркого проявления пика поглощения на примесях ОН с максимумом при = 1380 нм.

Рис. 1.17. Эволюция спектральной зависимости собственных потерь.

На рис. 1.18 приведена спектральная характеристика коэффициента затухания типовых кварцевых одномодовых оптических волокон [48].

Данная характеристика имеет три ярко выраженных особенности:

• общая тенденция уменьшения коэффициента затухания a с увеличением длины волны l, пропорционально 1/l⁴, что обусловлено потерями за счет Рэлеевского рассеяния;

• увеличение затухания a в области спектра выше 1,6 мкм, вызванное потерями на изгиб и инфракрасным поглощением кварца;

• локальные максимумы, связанные с гармониками резонанса поглощения примесей гидроксогруппы ОН^–.

Рис. 1.18. Типовая спектральная характеристика коэффициента  затухания стандартного кварцевого одномодового  оптического волокна.

В общем случае, потери в оптических волокнах складываются из собственных потерь в волоконных световодах a_с и дополнительных потерь, т.н. кабельных a_к, обусловленных скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Некоторые составляющие затухания оптических  волокон.

Собственные потери оптических волокон состоят из потерь поглощения a_п и потерь рассеяния a_р, а также потерь на поглощение, обусловленных присутствующими в световодах примесями a_пр и потерь на поглощение в инфракрасной области a_ик [48]:

, дБ/км

(1.22)

где a_с – собственные потери;

a_к – кабельные потери;

a_п – потери на поглощение;

a_р – потери на рассеяние;

a_пр – потери на поглощение, обусловленные примесями;

a_к – кабельные потери;

a_ик – потери на поглощение в инфракрасной области.

Потери Рэлеевского рассеяния

Потери Рэлеевского рассеяния обусловлены тепловой флуктуацией показателя преломления и неоднородностями материала световода, расстояние между которыми меньше длины волны. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Величина потерь на рассеяние a_р, дБ/км, определяется по следующей формуле [48, 49]:

(1.23)

где k_р – коэффициент Рэлеевского рассеяния, для кварца равный примерно (0,8 мкм^{4 .} дБ)/км.

Потери на Рэлеевском рассеянии определяют нижний предел собственного затухания, соответствующий длине волны 1550 нм, и сильнее проявляются в области коротких длин волн.

Коэффициент Рэлеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Таким образом, при уменьшении температуры вытяжки до 1800^оС и скорости вытяжки до 1м/с потери в оптических волокнах с легированной GeO₂ сердцевиной удалось уменьшить до 0,16 дБ/км и 0,29 дБ/км на длинах волн 1550 и 1310 нм, соответственно.

Дальнейшее уменьшение затухания может быть получено в оптических волокнах с так называемой депрессированной оболочкой. В световодах такого типа потери a_р снижаются за счет уменьшения степени легирования сердцевины. Также уменьшаются потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, т.к. сердцевина и оболочка лучше согласованы по вязкости.

Нормы коэффициента затухания стандартных одномодовых ОВ

Учет особенностей спектра затухания необходим при проектировании ВОЛП с ВОСП-СР.

Параметры коммерческих волокон можно рассмотреть на примере одномодового ОВ SMF-28e+ производства компании Corning.

Длина волны	Коэффициент затухания
1310 нм	0,33 – 0,35 дБ/км
1383 нм	0,31 – 0,35 дБ/км
1490 нм	0,21 – 0,24 дБ/км
1550 мм	0,19 – 0,20 дБ/км
1625 мм	0,20 – 0,23 дБ/км
Прирост затухания в зависимости от длины волны
Интервал длин волны, нм.	Прирост коэффициента затухания,
	дБ/км
1285 – 1330	0,03 (относительно 1310 нм)
1525 – 1575	0,02 (относительно 1550 нм)

Следует учесть, что вышеприведенные значения не учитывают дополнительное затухание, которое может возникнуть при производстве оптического кабеля.

В настоящее время максимально-допустимыми значениями коэффициента затухания для стандартных одномодовых ОВ, уложенных в кабеле, являются

(=1310 нм) < 0.36 дБ/км (=1550 нм) < 0.22 дБ/км

Спектр коэффициента затухания оптического волокна со смещенной ненулевой дисперсией LEAF производства Corning.

1. Хроматическая дисперсия. Основные параметры.

Дисперсией оптического волокна называют рассеивание во времени составляющих оптического сигнала. Причина дисперсии – разные скорости распространения составляющих оптического сигнала.

Дисперсия проявляется как увеличение длительности (уширение) оптических импульсов при распространении в ОВ. Увеличение длительности оптических импульсов вызывает межсимвольную интерференцию - создает переходные помехи, что ухудшает отношение сигнал/помеха и в результате приводит к ошибкам на приеме. Очевидно, что межсимвольная интерференция увеличивается с уширением оптических импульсов. При фиксированном значении уширения импульсов межсимвольная интерференция возрастает с уменьшением периода следования импульсов T. Таким образом, дисперсия ограничивает скорость передачи информации в линии B=1/T и длину регенерационного участка (РУ).

• оптических волокнах можно выделить несколько видов дисперсии: модовую, поляризационную модовую и хроматическую дисперсию.

• многомодовом ОВ преобладает межмодовая дисперсия, вызванная наличием большого числа мод с различным временем распространения.

Модовая дисперсия	ОВ обусловлена	большим числом	мод,
распространяющихся в	многомодовых волокнах с разной скоростью.			Она

существенно превышает другие виды дисперсии, поэтому полоса пропускания таких ОВ определяется в основном модовой дисперсией. Увеличения полосы пропускания многомодовых ОВ добиваются за счет градиентного профиля показателя преломления, в котором показатель преломления в сердцевине плавно уменьшается от оси ОВ к оболочке. При таком градиентном профиле скорость распространения лучей вблизи оси волокна меньше, чем в области, прилегающей к оболочке. В результате, с увеличением протяженности траектории направляемых лучей на отрезке волокна возрастает их скорость распространения вдоль траектории. Чем больше длина пути, тем больше скорость. Это обеспечивает выравнивание времени распространения лучей и, соответственно, снижение модовой дисперсии. Оптимальным с точки зрения минимизации модовой дисперсии является параболический профиль.

Полоса пропускания многомодовых волокон характеризуется коэффициентом широкополосности F, МГц^.км, значение которого указывается в паспортных данных ОВ на длинах волн, соответствующих первому и второму окнам прозрачности. Полоса пропускания для типовых многомодовых оптических волокон составляет 400…2000 МГц^.км.

Многомодовые оптические находят применение на локальных сетях, в центрах обработки данных, ведомственных сетях нбоьшой протяженности. С системами спктрального уплотнения не используются.

В одномодовых ОВ распространяется только одна основная мода и модовой дисперсии нет.

Основным фактором, ограничивающим протяженность участков регенерации высокоскоростных ВОЛП, является хроматическая дисперсия. В рекомендациях Международного союза электросвязи ITU-T G.650 приводится следующее определение: хроматическая дисперсия (ХД) - это уширение светового импульса в оптическом волокне, вызванное разностью групповых скоростей различных длин волн, составляющих спектр оптического информационного сигнала. Длительность оптического импульса на выходе протяженного оптического волокна определяется относительной групповой задержкой самой медленной спектральной компоненты относительно самой быстрой. Таким образом, влияние ХД пропорционально ширине спектра источника излучения. С увеличением протяженности линии передачи и скорости передачи информации влияние хроматической дисперсии возрастает.

Вклад в ХД вносят следующие составляющие: материальная и волноводная дисперсия. Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовлении волокна, является дисперсия показателя преломления, проявляющаяся в зависимости скорости распространения сигнала от длины волны – материальная дисперсия. Кроме этого, при производстве одномодового волокна, когда кварцевая нить вытягивается из стеклянной заготовки, в той или иной степени возникают отклонения в геометрии волокна и в радиальном профиле показателя преломления. Сама геометрия волокна вместе с отклонениями от идеального профиля также вносит существенный вклад в зависимость скорости распространения сигнала от длины волны, это – волноводная дисперсия.

Хроматическая дисперсия определяется совместным действием материальной D_M () и волноводной дисперсий D_B ()

D()  D_M ()  D_B ()

Материальная дисперсия определяется дисперсионными свойствами материала – кварца,

D_M  ^{ 2n} . c ²

Волноводная дисперсия D_B () обусловлена зависимостью групповой

скорости распространения моды от длины волны, в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки.

Достаточно часто для оценки волноводной дисперсии используют следующее соотношение:

где V – нормированная частота; b – нормированная постоянная распространения, которая связана с  следующим соотношением:

получила название нормированный параметр волноводной дисперсии.

Рис. 3.13. Спектр хроматической дисперсии стандартного ступенчатого волокна

Количественно хроматическую дисперсию ОВ оценивают коэффициентом D с размерностью пс/(нм^.км). Хроматическая дисперсия волокна в

пикосекундах (пс) на участке протяженностью L км, равна

  D  L 

где  - полоса длин волн источника оптического излучения, нм.

Основными параметрами хроматической дисперсии являются:

1. Длина волны нулевой дисперсии ₀ , нм. На этой длине волны

материальная и волноводная составляющие компенсируют друг друга и хроматическая дисперсия обращается в нуль.

2. Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нмкм). Данный параметр определяет уширение оптического импульса, распространяющегося на расстояние в 1 км при ширине спектра источника 1 нм.

2. Наклон дисперсионной характеристики S ₀ определяется как касательная

• дисперсионной кривой на длине волны ₀ (см. рис. 3.13). Аналогично может

быть определен наклон S в любой точке спектра: