Димплом

Глава 1. Оптическое волокно, его классификация и параметры.

Оптическое волокно (ОВ) представляет собой двухслойную цилиндрическую кварцевую нить, состоящую из сердцевины, оболочки и одного или нескольких защитных покрытий (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура ОВ.

Сердцевина и оболочка изготавливаются из плавленого кварца SiO₂. Обычно оболочка ОВ изготавливается из чистого кварца, имеет постоянный показатель преломления n₂ и покрыта защитным слоем из акрилатного лака, а сердцевина для обеспечения требуемого профиля показателя преломления n₁ легируется примесями (GeO₂, P₂O₅), которые увеличивают показатель преломления. Размеры сердцевины и оболочки ОВ стандартизованы. Обозначают размеры ОВ следующим образом: диаметр сердцевины / диаметр оболочки.

По оптическому волокну осуществляется передача оптических сигналов. Для того, чтобы удержать свет в оптоволокне, показатель преломления в центре ОВ должен быть выше, нежели по краям. Показатель преломления оболочки ОВ —у постоянная величина, в то время как показатель преломления сердцевины может быть как постоянным, так и изменяться по определенному закону, что называется профилем показателя преломления. Это закон изменения показателя преломления в поперечном сечении ОВ. Все ОВ можно также разделить на ОВ со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Ступенчатый и градиентный профили показателя преломления.

На границе сердцевина-оболочка может наблюдаться явление полного внутреннего отражения. При переходе луча из оптически более плотной среды в менее плотную (то есть , ) при некотором угле падения угол преломления становится равным (луч е на рис. 1.3а). При дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезает (лучи f и g на рис. 1.3а).

n2
n1
(а)		(б)

Рис. 1.3. Полное внутреннее отражение.

Из закона Снеллиуса () можно получить: . Коэффициент отражения при равен , отражается 100% энергии, то есть потерь на отражение нет. На этом физическом явлении основана работа ОВ с точки зрения геометрической оптики (рис. 1.3б).

Свет распространяется в сердцевине волокна и испытывает полное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Он проникает в оболочку на глубину много меньшую её толщины и, следовательно, не взаимодействует с покрытием из акрилатного лака. Это покрытие необходимо для защиты кварцевой оболочки от механических повреждений и воздействия воды.

Все оптические волокна делятся по количеству мод распространения на многомодовые и одномодовые.

Для всех типов волокон, применяемых в линиях связи, диаметр кварцевой оболочки имеет стандартный размер 125+1 мкм. Номинальный диаметр сердцевины у многомодовых волокон 50 или 62.5 мкм. Диаметр сердцевины у одномодовых волокон может меняться в зависимости от типа волокна в пределах 7-9 мкм (рис. 1.4). Одномодовые волокна применяются в транспортных сетях всех трех уровней: магистральном, уровне распределения и уровне доступа. Многомодовые волокна применяются в локальных вычислительных сетях и частично в транспортных сетях на уровне доступа. Существует два стандарта таких волокон, отличающиеся диаметром сердцевины.

Одномодовые волокна	Многомодовые волокна

Рис.1.4. Геометрические параметры одномодовых и многомодовых волокон.

Информация по ОВ передается в виде коротких оптических импульсов. Энергия импульса распределяется между всеми направляемыми модами. Скорости всех мод вдоль их траектории в ступенчатом ОВ одинаковы. Однако время, которое им понадобится для прохождения 1 км ОВ, будет различным. На выходе ОВ импульсы отдельных мод, пришедшие в разное время, складываются, образуя более широкий, по сравнению с входным, оптический импульс (рис. 1.5).

Рис.1.5. Траектории меридиональных лучей в ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.

Явление уширения импульса в многомодовом ОВ называется межмодовой дисперсией, которая характеризуется величиной D_m, измеряющейся в нс/км. Если величина дисперсии известна, то уширение импульса Δt в ОВ длиной L в первом приближении определится выражением:

.

Верхняя оценка величины межмодовой дисперсии: наименьшую траекторию и наименьшее время распространения t_min имеет луч, распространяющийся вдоль оси ОВ.

Наибольшую траекторию и наибольшее время распространения t_max имеет луч, распространяющийся по ОВ, отражаясь от границы раздела сердцевины и оболочки под углом полного внутреннего отражения.

Тогда .

Дисперсия ограничивает скорость передачи информации по ОВ.

Рис. 1.6. Зависимость межмодовой дисперсии от относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки.

С величиной межмодовой дисперсии [нс/км] связано понятие широкополосности волокна или удельной полосы пропускания B[МГц км]

Величина широкополосности для ступенчатых многомодовых кварцевых волокон ограничивается величиной 20-50 МГц км.

Для градиентных многомодовых волокон широкополосность лежит в пределах 200 – 2000 МГц км.

Радикальным способом уменьшения дисперсии является переход от многомодовой передачи к одномодовой.

Впервые одномодовый режим передачи в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления был достигнут путем уменьшения радиуса сердцевины до 5 мкм. Такие волокна называют стандартными одномодовыми волокнами.

Важным нормируемым параметром у одномодовых волокон является диаметр w или радиус r_nм модового пятна (поля), который характеризует потери при вводе света в волокно и используются для расчетов вместо радиуса или диаметра сердцевины, его величина зависит от типа волокна и рабочей длины волны и лежит в пределах 8..10 мкм (фактически он на 10-12% больше диаметра сердцевины).

Для одномодового ОВ распределение интенсивности поля моды можно аппроксимировать гауссовской кривой:

.

Рис. 1.7. Определение диаметра модового поля.

На рис. 1.8. показаны рассчитанные по выражениям распределения модового поля для стандартного волокна на длинах волн, которые обычно используются для связи.

Рис. 1.8. Распределение модового поля основной моды в стандартном волокне.

Поскольку скорость распространения света в ОВ зависит от длины волны излучения λ, разные спектральные составляющие сигнала распространяются с разной скоростью.

Рис. 1.9. Спектр излучения источника.

Хроматическая дисперсия состоит из двух составляющих: материальной и волноводной:

Как физическая величина измеряется в пс / (нм·км) и означает уширение импульса в волокне длиной 1 км при ширине спектра сигнала 1 нм (с учетом скорости передачи и ширины спектра источника излучения).

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления кварца n() (как фазового, так и группового) или скорости распространения света в кварце от длины волны  (рис. 1.10) и пропорциональна второй производной показателя преломления по длине волны:

_{}_{}_

___

Рис. 1.10. Возникновение материальной дисперсии.

На рис. 1.11 показана зависимость материальной дисперсии от длины волны. Видно, что материальная дисперсия имеет знак и при длине волны нулевой материальной дисперсии λ = λ_0mat проходит через 0.

Волноводная дисперсия D_в не связана со свойствами материала, но зависит от конструкции и размеров волновода. Ее появление связано с тем, что волна в одномодовом ОВ распространяется частично в сердцевине, частично в оболочке и показатель преломления для нее принимает среднее значение между показателями преломления сердцевины и оболочки. При изменении длины волны глубина проникновения поля в кварцевую оболочку меняется (рис. 1.15) и, следовательно, меняется среднее значение показателя преломления.

Рис. 1.11. Хроматическая дисперсия в стандартном одномодовом волокне.

Рис. 1.12. Возникновение волноводной дисперсии.

Волноводная дисперсия отрицательна и с увеличением  она уменьшается. Это позволяет, изменяя размеры и конструкцию ОВ, управлять зависимостью D_в, а, следовательно, и зависимостью D_хр от .

Существует такая длина волны, при которой материальная и волноводная дисперсии равны по модулю и имеют противоположные знаки, то есть хроматическая дисперсия равна нулю. Эту длину волны называют длиной волны нулевой хроматической дисперсии или просто длиной волны нулевой дисперсии _0D.

В большинстве одномодовых ОВ расположение осей наибольшей и наименьшей скорости является случайным и расширение проходящего по ОВ импульса растет с увеличением длины L пропорционально корню квадратному из длины ОВ:

,

где D_p – поляризационно-модовая дисперсия.

Для большинства одномодовых ОВ величина поляризационно-модовой дисперсии лежит в пределах 0.02 – 0.2 пс/км^0.5.

По мере распространения света в оптической среде, он, как известно, ослабевает, что носит название затухание a, которое измеряется в децибелах или неперах. При оптических измерениях:

,

где P₀, P₁ - мощности сигнала на входе и выходе ОВ, оптического кабеля (ОК) или любого компонента волоконного тракта (ВТ).

Общее или вносимое затухание ОВ можно разделить на собственное затухание и дополнительные потери.

Собственное затухание обусловлено самим ОВ. Для однородного ОВ можно рассчитать коэффициент затухания  - величину затухания на единицу длины:

, дБ/км

где L - длина ОВ, км.

Собственные потери в ОВ в основном обусловлены двумя причинами: поглощением и рассеянием.

Рассеяние является фундаментальной (технологически неустранимой) причиной затухания в ОВ и носит название рэлеевское рассеяние. Его особенностью является сильная зависимость коэффициента рассеяния _s от длины волны  проходящего излучения:

где _s - коэффициент пропорциональности (0.7-0.9 дБмкм⁴/км). Зависит от материала (вида и концентрации легирующих добавок и т.п.) и технологии изготовления ОВ.

Поглощение обусловлено потерями в основном материале ОВ - кварце и в примесях. Носит резонансный характер и дает для кварца пики затухания в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. В используемом диапазоне длин волн 0.80-1.6 мкм всплески поглощения у кварца отсутствуют. Наибольший вклад в поглощение вносят гидроксильные группы OH^. Они дают мощный пик поглощения на длине волны 1.383 мкм.

К дополнительным потерям относятся потери на вводе и выводе излучения; потери, связанные с нарушениями геометрической формы ОВ и случайно расположенными структурными дефектами; изгибные потери (особенно на микроизгибах); потери в соединениях (стыках) строительных длин; потери, вызванные недостатками монтажа.

Затухание ограничивает максимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без регенерации. Затухание ограничивает также минимальное расстояние, на которое можно передать сигнал без принятия дополнительных мер по снижению его уровня. Максимально допустимое затухание в линии определяется параметрами передающего и фотоприемного устройства.

Как видно из рис. 1.13, для передачи оптических сигналов может быть использован широкий участок спектра, где потери в волокнах достаточно малы. Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие диапазоны, или окна прозрачности.

Рис.1.13. Зависимость коэффициента затухания от длины волны и положение окон прозрачности в кварцевых ОВ.

Первое окно прозрачности из-за большой величины коэффициента затухания (2-2.5 дБ/км) используется в основном в локальных вычислительных сетях.

Второе окно прозрачности (О – Original, основной диапазон) используется преимущественно в городских и зоновых линиях.

Третье окно прозрачности (C – Conventional, стандартный диапазон) наиболее широко используется в магистральных линиях.

Четвертое (L – Long wavelength, длинноволновый диапазон) и пятое окно прозрачности (S – Short wavelength, коротковолновый диапазон) вместе с третьим используются в системах спектрального уплотнения.

В волоконно-оптичеких линиях связи (ВОЛС) наиболее широко используются следующие стандарты волокон:

• многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 1.3б);

• многомодовое градиентное волокно 62.5/125 (рис. 1.3б);

• одномодовое ступенчатое волокно 8-10/125 (рис. 1.3в);

• одномодовое волокно со смещенной дисперсией 8-10/125 (рис. 1.3г);

• одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Рис. 1.14. Стандарты ОВ.

Рекомендуемые параметры многомодовых ОВ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Параметры	Градиентное многомодовое ОВ
	50/125	62.5/125
Номинальное затухание на длине волны 850/1300 нм (дБ/км)	/	/
Максимальное затухание на длине волны 850/1300 нм (дБ/км)	/	/
Полоса пропускания на длине волны 850/1300 нм (МГцкм)	/	/
Длина волны нулевой дисперсии λ0 (нм)	1297-1316	1332-1354
Наклон нулевой дисперсии S0 (пс/(нм2км))
Диаметр сердцевины d (мкм)
Числовая апертура NA
Стандартная длина волокна, поставляемого на катушке (м)	1100-4400	1100-8800
Диаметр оболочки (мкм)
Радиальное отклонение сердцевины относительно оболочки (мкм)
Диаметр защитного покрытия (мкм)
Отклонение сердцевины от окружности
Тестовое усилие на разрыв (ГН/м2)
Эффективный показатель преломления neff на длине волны 850/1300 нм	1.4897/1.4856	1.5014/1.4966

Одномодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 1.15) называют стандартным Standard Fiber (SF). Это волокно оптимизировано для второго окна прозрачности (1260-1360 нм). Его длина волны нулевой дисперсии составляет _0D ~ 1.35 мкм.

Стандартные ОВ имеют дисперсию на  = 1310 нм менее 3.5 пс/(нм·км), а на  = 1550 нм их дисперсия возрастает до 18 пс/(нм·км), хотя затухание при этом уменьшается до 0.2 дБ/км и они могут с успехом использоваться на этой длине волны. При этом длина участка регенерации обычно ограничивается дисперсией.

Рис.1.15. Профили показателей преломления стандартных одномодовых ОВ.

С целью оптимизации дисперсионных параметров волокон на длине волны 1.55 мкм, на которой кварцевые ОВ имеют минимальное затухание, были разработаны градиентные одномодовые ОВ.

Усложняя профиль показателя преломления (рис. 1.16) и делая его форму близкой к треугольной, получили волокна, имеющие длину волны нулевой дисперсии вблизи 1550 нм. Такие ОВ получили название ОВ со смещенной дисперсией (Dispersion Shifted Fiber - DSF).

а)

Рис.1.16. Профили показателей преломления ОВ со смещенной дисперсией.

Эти ОВ имеют дисперсию на λ = 1550 нм менее 3.5 пс/(нм*км), а на λ = 1310 нм до 18 пс/(нм*км).

Рис. 1.17. Зависимость хроматической дисперсии в одномодовых ВС от длины волны.

Еще один вид одномодовых ОВ - ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (Non Zero Dispersion Shifted Fiber - NZDSF). Эти ОВ были разработаны специально для систем спектрального уплотнения (DWDM).

Волокна NZDSF оптимизированы таким образом, что длина волны нулевой дисперсии у них вынесена за пределы полосы пропускания эрбиевого оптического усилителя (такие усилители могут использоваться только в начале или в конце линии; выходная мощность составляет 10-500мВт (10-27дБм)).

Характеристики этих волокон приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Характеристики		TrueWave™	SMF-LS™	LEAF™
Главное рабочее окно (нм)		1550	1550	1550
Затухание
Макс. затухание на длине волны 1550 нм (дБ/км)		0.22 - 0.25	 0.25	 0.25
Макс. затухание в диап. 1525-1575 нм (дБ/км)		 0.30	 0.30	 0.30
Хроматическая дисперсия в зоне ненулевой дисперсии
минимум (пс/нмкм)	0.8 (зона 1540-60 нм)		н/д	1.0 (1540-60 нм)
максимум (пс/нмкм)	4.6 (зона 1540-60 нм)		-3.5 (зона 1530-60 нм)	6.0 (1540-60 нм)
Наклон нулевой дисперсии (пс/нм2км))	н/д		 0.092	н/д
Длина волны нулевой дисперсии (нм)	 1520		1560	н/д
Диам. модового поля при дл. волны 1550 нм (нм)	8.4 ± 0.6		8.4 ± 0.5	9.5 ± 0.5 9.6 (типовое)
Кабельная длина волны отсечки (нм)	 1260		 1260	н/д

В таблице 1.3. приведены рекомендации МСЭ по параметрам волокон различных типов.

Таблица 1.3.

Параметры ОВ		Рекомендации МСЭ
		G.652	G.653	G.654	G.655
Тип волокна		SSF	DSF	CSF	+NZDSF
Окна прозрачности, нм		1350/1550	1500-1600	1550	1530-1565
Коэффициент затухания, дБ/км	1310	< 1.0 / < 0.34	< 1.0	не норм.	не норм.
	13831	< 2.0	< 2.0	не норм.	не норм.
	1550	< 0.22	< 0.22	< 0.22 / 0.15-0.19	< 0.22
Диаметр поля моды, мкм	1310	9.3 - 9.8	не норм.	не норм.	не норм.
	1550	9.0 - 10.0	7.0 - 8.6	9.5 ‑ 10.5	9.0 - 10.0
Максимальная кабельная длина волны отсечки, нм		1260	1270	1530	1480
Длина волны нулевой дисперсии, нм		1310  10	1550  25	1280  20	не норм.
Наклон нулевой дисперсии, пс/(нм2км)		0.093	0.085	0.095	< 0.169