Затухание сигнала в оптическом волокне

Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления материала.

Затухание сигнала при определенной марке кабеля на единицу длины линии зависит от длины волны сигнала (рис. 7.4). В современных оптических волокнах самое низкое затухание наблюдается на двух длинах волны — 1300 и 1550 нм, так как в этих диапазонах самая большая прозрачность кварца, из которого делается волокно. На этих частотах, как можно увидеть из рисунка 7.4, затухание равно 0,35 и 0,2 дБ соответственно. Параметры затухания для различных марок оптических кабелей показаны в табл. 7.1 [7.22].

Рис. 7.4.  Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны

Таблица 7.1. Параметры оптического кабеля
Тип оптического кабеля	d/D мкм	NA	Погонное затухание дБ/км
			850 нм	1350 нм	1550 нм
Одномодовый	9,5/125	0,15	-	0,4	0,3
Многомодовый градиентный	50/125	0,2	2,5	0,7	-
	62,50/125	0,275	3	1	-
	80/125	0,28	3,5	1,5	-
	100/140	0,4	5	-	-
Многомодоый ступенчатый	200/280	0,4	5	-	-
	200/280	-	6	-	-
Примечание: d/D — отношение диаметра сердцевины к диаметру обо¬лочки, NA — числовая апертура

Хроматическая дисперсия (Chromatic Dispersion)

Хроматическая дисперсия [7.27] возникает в том случае, если световой сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из механизмов, лимитирующих полосу пропускания волоконно­оптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала, который состоит из различных цветов проходящего света (некогерентность сигнала). Различные длины волн распространяются с различной скоростью. Хотя большинство оптических источников имеют одинаковый диапазон светового луча, каждая волна с различной длиной прибывает за различное время, и поэтому оказывается, что передаваемый импульс размывается.

Количественно дисперсия измеряется относительно скорости распространения волн с различной длиной, входящих в световой сигнал. Большая дисперсия означает, что волны распространяются с большой разницей по скорости. Низкая дисперсия указывает, что сигналы, смежные по длине волны, распространяются приблизительно с одинаковой скоростью. Упорядочение дисперсии состоит в том, чтобы снизить разницу распространения сигналов разной длины волны по всему диапазону.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волновой составляющих и происходит при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная составляющая отражает зависимость показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а именно зависимости показателя от длины волны.

где — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм);

— дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии волокна) в пс/км;

— спектр источника в нанометрах (нм);

— длина кабеля.

В выражение для дисперсии одномодового волокна входит показатель преломления материала, а именно — дифференциальная зависимость показателя от длины волны . Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот показатель может быть положительным (коэффициент преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент преломления убывает).

Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в зависимости от длины волны. Дифференциал такой функции всегда положительный (время распространения с увеличением длины волны только возрастает).

где — дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на нанометр (пс/км•нм);

— дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны;

— увеличение длины волны вследствие некогерентности источника в нанометрах;

— длина кабеля.

Итоговая удельная хроматическая дисперсия равна

И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 1310 ± 10 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация и , а результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии . Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться для данного конкретного волокна.

Для борьбы с хроматической дисперсией можно рекомендовать следующие методы.

1. В качестве рабочей длины волны выбирать длину, при которой хроматическая дисперсия минимальна.

2. Выбирать источник с узким спектром.

3. Использовать для передачи сигналов узкие однополярные импульсы.

4. Применять оптическое волокно, компенсирующее дисперсию (волокно со смещенной или выровненной дисперсией).

На рис. 7.5 приведены кривые, показывающие зависимости задержек для различных типов кабелей [7.23].

Как видно из рис. 7.5, длина волны нулевой дисперсии для многомодового градиентного и одномодового ступенчатого кабелей — 1300 нм и для одномодового со смещенной дисперсией — 1500 нм. В реальных кабелях вследствие производственных допусков типичные значения дисперсии порядка 1-3,5 пс/км•нм.

Рис. 7.5.  Кривые временных задержек и удельных хроматических дисперсий

Установлено, что при определенной форме сигнала (рис. 7.6) он имеет наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.

Рис. 7.6.  Форма импульса типа "солитон"

Электрооптические преобразователи Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой, — это светодиоды и лазерные диоды. Светодиоды (LED — Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн). Характеристика светодиода показана на рис. 7.7 [7.18]. Область спектра генерируемого сигнала нм при длине волны основного сигнала 850 нм и 70 или 120 при длине волны основного сигнала 1300 нм. На рисунке максимальная мощность обозначена 1. Типовое значение возбуждаемой максимальной мощности для различных типов диодов различна и находится в пределах от 20 до 10 дБ. Рис. 7.7.  Спектральная характеристика светодиода Таблица 7.2. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах Тип волокна , (нм) межмодовая дисперсия, пс/км Удельная хроматическая дисперсия, пс/(нм•км) MMF 50/125 850 414 1) 99,6 3) 1310 414 1,0 1550 414 19,2 MMF 62,5/125 850 973 2) 106,7 4) 1310 973 4,2 1550 973 17,3 SF 8/125 1310 0 < 1,8 5) 1550 0 17,5 DSF 8/125 1310 0 21,2 6) 1550 0 < 1,7 Некогерентность светодиодов ограничивает их применение. Самые главные достоинства светоизлучающих светодиодов — это: большой срок службы; меньший временной дрейф параметров; большая линейность и меньшая температурная зависимость излучаемой мощности; низкая стоимость и простота эксплуатации. Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют 10 дБ. Кроме того, поскольку излучение — некогерентное, то есть оно происходит в некотором спектральном диапазоне, будет происходить дополнительное искажение передаваемого сигнала (расширение импульсов) за счет различий в распространении разных спектральных составляющих. Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт. При необходимости создать линию для передачи на большие расстояния применяют лазерные диоды, имеющие лучшую спектральную характеристику. Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение, его луч обладает более узким спектром (рис. 7.8), по сравнению со светодиодом [7.18]. Принцип излучения лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью [7.14] до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. На рис. 7.8 видно, что как многомодовые, так и одномодовые лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, чем светодиоды, и это обеспечивает меньшую хроматическую дисперсию. Рис. 7.8.  Характерные спектральные характеристики лазерных диодов: а) Многомодовые, б) Одномодовые Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. Это определяет их применение для осуществления передачи на дальние расстояния в магистральных линиях. Характеристики светодиодов и лазерных диодов приведены в таблице 7.3 [7.14]. Таблица 7.3. Характеристики светодиодов и лазерных диодов Параметры светодиод Лазерные диоды Длина волны 850, 350 1350, 550 Выходная мощность 0,5-11,5 мВт 3-10 мВт Время нарастания 1-20 нс 1-2 нс Диапазон тока смещения 5-150 мА 100-500 мА Ширина спектра 50-120 нм 0,4-1,0 Начало формы Вы можете поддержать наш проект и автора курса? Конец формы