2.1.Причины и виды дисперсии
Основной причиной возникновения дисперсии в волокне является некогерентность источника излучения (лазера). Идеальный источник всю мощность излучает на заданной длине волны λ 0 , однако реально излучение идёт в спектре λ 0 ± Δλ (рис.2.1), так как не все возбуждённые электроны возвращаются в то же состояние, из которого они были выведены при накачке.
Рис.2.1. Реальное излучение лазера
Коэффициент преломления является частотнозависимой величиной, то-есть n есть функция от λ: n = f (λ), см. рис.2.2.
Рис.2.2. Зависимость коэффициента преломления от длины волны
Следовательно, при распространении сигнала, состоящего из смеси длин волн λ 0 ± Δλ , части сигнала идут с разной скоростью, и возникает дисперсия:
λ ± Δλ → n ± Δn → c /(n ± Δn) → v ± Δv → Δτ.
Этот вид дисперсии называется материальной дисперсией.
Поперечная постоянная распространения волны (вдоль радиуса волокна) также зависит от длины волны, то есть от длины волны зависит площадь моды и площадь той части оболочки, которая захватывается площадью моды, выходящей за границы сердцевины. Распространение света вдоль пограничной с сердцевиной части оболочки идёт с большей скоростью, чем по сердцевине, что вносит вклад в изменение дисперсии. Эта дисперсия называется волноводной дисперсией. Обе эти дисперсии, материальная и волноводная, в сумме называются хроматической дисперсией. Они складываются арифметически. На рис.2.3 показаны зависимости материальной и волноводной дисперсии и их суммы от длины волны. Для стандартного одномодового волокна при λ = 1300 нм эти дисперсии равны и противоположны по знаку, и суммарная дисперсия равна нулю.
Рис.2.3. Зависимость материальной и волноводной дисперсии в стандартном одномодовом волокне от длины волны (нм)
В многомодовом волокне кроме хроматической дисперсии существует ещё межмодовая дисперсия. Если мод несколько, то каждая распространяется вдоль волокна со своей скоростью, которые могут значительно отличаться друг от друга. На рис.2.4 приведены графики фазовых скоростей некоторых мод.
Рис. 2.4. График фазовых скоростей некоторых мод в зависимости от частоты.
Если параметры волокна меняются, например, случайно изменится диаметр сердцевины, происходит перестройка мод, и моды обмениваются энергией. Межмодовая дисперсия на порядок больше хроматической дисперсии, что явилось причиной разработки одномодовых кабелей, в которых межмодовая дисперсия отсутствует. В таблице 2.1 приведено примерное соотношение величин видов дисперсии для различных типов волокон.
Табл.2.1. Соотношение между различными видами дисперсии
Суммарная дисперсия определяется как корень квадратный из суммы квадратов хроматической и межмодовой дисперсий:
(2.1)
Материальная и волноводная дисперсии рассчитываются по формулам
τ мат = ∆λ∙ М(λ)∙ L (2.2),
τ вв = ∆λ∙ В(λ)∙ L (2.3),
где ∆λ – ширина полосы излучения лазера, нм;
М(λ) и В(λ) – удельные материальная и волноводная дисперсии, пс/(нм·км);
L – длина линии, км.
Величины М(λ) и В(λ) приводятся в справочниках.
τ Σ = [τ мм 2 +(τ мат + τ вв) 2 ] 1/2
Вариант табл. 2.1. Примерные значения величин дисперсии для различных типов волокон
2.2. Поляризационная модовая дисперсия (ПМД)
Свет представляет собой колебания поперечные к направлению распространения света (рис.2.5). Если конец вектора поля описывает прямую линию, то такая поляризация называется линейной, если круг или эллипс, то круговой или эллиптической. Большинство людей за редким исключением поляризацию света не ощущают, только некоторые (таким был, например Лев Толстой), чётко различают поляризованный и неполяризованный свет. Обычный интегральный светоприёмник (диод) также реагирует только на интенсивность волны, а не на её поляризацию. Однако некоторые оптические устройства, например некоторые типы усилителей имеют коэффициент усиления, зависящий от поляризации.
Рис. 2.5. Виды линейной поляризации
Кроме того, поляризация вектора имеет большое значение в процессах отражения и преломления, так как коэффициенты Френеля, характеризующие амплитуды отражённой и преломленной волны, в общем случае зависят от направления вектора поляризации (рис.2.6). На рис.2.6 показано, как отражается смесь лучей параллельной (черточки) и перпендикулярной (точки) поляризаций по отношению к плоскости распространения при переходе через горизонтальную плоскость раздела. Из рисунка видно, что при некотором угле (угол Брюстера) все отражённые волны имеют перпендикулярную поляризацию, а преломленные – параллельную.
Рис. 2.6. Отражение волн разной поляризации.
В классическом одномодовом волокне единственной модой является волна НЕ 11 . Однако если учитывать поляризацию, то в волокне присутствуют две взаимно ортогональные моды, соответствующие горизонтальной и вертикальной осям x и y. В реальной ситуации волокно не является в сечении всегда идеальным кругом, а часто представляет в силу тех или иных особенностей технологии небольшой эллипс. Кроме того, при намотке кабеля и при его прокладке возникают не симметричные механические напряжения и деформации волокна, что приводит к двойному лучепреломлению. Коэффициент преломления вследствие дополнительного напряжения будет изменяться, и скорости распространения ортогональных мод на различных участках будут отличаться друг от друга, что будет вносить разные временные задержки при распространении ортогональных мод. Импульс в целом будет испытывать статистическое уширение во времени, которое называется поляризационной модовой дисперсией (ПМД). Так как ПМД на разных участках линии различна и подчиняется статистическим закономерностям, то обычно используется среднеквадратичное суммирование, и расчёт ПМД производится по формуле
3.3 ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО
Можно выделить четыре основные явления в оптическом волокне, ограничивающие характеристики систем WDM - это хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия первого и второго порядка и нелинейные оптические эффекты.
3.3.1 Хроматическая дисперсия
Важной оптической характеристикой стекла, используемого при изготовления 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.
Совместное влияние материальной и волноводной дисперсий называют хроматической дисперсией волокна, рис. 3.16.
Рис.3.16 Зависимость хроматической дисперсии от длины волны
Явление хроматической дисперсии ослабевает по мере уменьшения спектральной ширины излучения лазера. Даже если бы можно было использовать идеальный источник монохроматического излучения с нулевую шириной линии генерации, то после модуляции информационным сигналом произошло бы спектральное уширение сигнал, и тем больше уширение, чем больше скорость модуляции. Есть и другие факторы, приводящие к спектральному уширению излучения, из которых можно выделить чирпирование источника излучения.
Таким образом, исходный канал представлен не единственной длиной волны, а группой длин волн в узком спектральном диапазоне - волновым пакетом. Так как различные длины волн распространяются с разными скоростями (или точнее, с разными групповыми скоростями), то оптический импульс, имеющий на входе линии связи строго прямоугольную форму, по мере прохождения по волокну будет становиться все шире и шире. При большом времени распространения в волокне этот импульс может смешаться с соседними импульсами, затрудняя точное их восстановление. С увеличением скорости передачи и длины линии связи влияние хроматической дисперсии возрастает.
Хроматическая дисперсия, как уже говорилось, зависит от материальной и волноводной составляющих. При некоторой длине волны λ o хроматическая дисперсия обращается в ноль - эту длину волны называют длиной волны нулевой дисперсии.
Одномодовое кварцевое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления обладает нулевой дисперсией на длине волны 1310 нм. Такое волокно часто называют волокном с несмещенной дисперсией.
Волноводная дисперсия в первую очередь определяется профилем показателя преломления сердцевины волокна и внутренней оболочки. В волокне со сложным профилем показателя преломления, изменяя соотношение между дисперсией среды и дисперсией волновода, можно не только сместить длину волны нулевой дисперсию, но и подобрать нужную форму дисперсионной характеристики, т.е. форму зависимости дисперсии от длины волны.
Форма дисперсионной характеристики является ключевой для систем WDM, в особенности, по волокну со смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.653).
Кроме параметра λ o используют параметр S o , описывающий наклон дисперсионной характеристики на длине волны λ o , рис. 3.17. В общем случае, наклон на других длинах волн отличается от наклона при длине волны λ o . Текущее значение наклона S o определяет линейную составляющую дисперсии в окрестности λ o .
Рис. 3.17 Основные параметры зависимости хроматической дисперсии от длины волны: λ o - длина волны нулевой дисперсии и S o - наклон дисперсионной характеристики в точке нулевой дисперсии
Хроматическую дисперсию τ chr (обычно измеряется в пс) можно рассчитать по формуле
τ chr = D(λ) · Δτ · L ,
где D(λ) - коэффициент хроматической дисперсии (пс/(нм*км)) , а L - протяженность линии связи (км). Заметим, что данная формула не точна в случае ультра узкополосных источников излучения.
На рис. 3.18 раздельно показаны зависимости волноводной дисперсии для волокна с несмещенной (1) и смещенной (2) дисперсией и материальной дисперсии от длины волны.
Рис. 3.18 Зависимость дисперсии от длины волны (хроматическая дисперсия определяется как сумма материальной и волноводной дисперсий.)
Хроматическая дисперсия системы передачи чувствительна к:
увеличению длины и числа участков линии связи;
увеличению скорости передачи (т.к. увеличивается эффективная ширина линии генерации источника).
На нее в меньшей степени влияют:
уменьшение частотного интервала между каналами;
увеличение числа каналов.
Хроматическая дисперсия уменьшается при:
уменьшении абсолютного значения хроматической дисперсии волокна;
компенсации дисперсии.
В системах WDM с обычным стандартным волокном (Рек. ITU-T G.652) хроматической дисперсии следует уделять особое внимание, так как она велика в области длины волны 1550 нм.
Distinguish mode dispersion, which is caused by a large number of modes in the optical fiber and the chromatic dispersion associated with the incoherence of light sources actually operating in a certain range of wavelengths.
Consider the propagation of the light beam along the multimode fiber. In this case there are two modes, the two beams. The first extends along the longitudinal axis of the fiber, while the other is reflected from the interfaces of media. Thus the path of the second light beam is greater than the first. As a result, when the two beams carrying the electromagnetic energy are added together, compared oblique beam with an axial beam is the time delay, which is calculated by the following formula:
c
– speed of light
l
– fiber length
n
1
,
n
2
– refractive indices of the core and shell
Gradient mode dispersion of optical fibers, usually two orders of magnitude lower than those fibers with a step refractive index profile. Due to the smooth change of the refractive index of the core of an optical fiber decreases the path of the second beam along the fiber. Thereby reducing second time delay relative to the first beam.
The single mode optical fiber mode dispersion, and no increase in pulse duration is determined by the chromatic dispersion, which, in turn, divided into material and waveguide.
Material dispersion phenomenon is called the absolute dependence of the refractive index n material wavelength of light ( n =ϕ λ() ). The waveguide dispersion coefficient is determined by the dependence of the phase β and of the frequency ( β=ϕ ω() ).
Pulse broadening due to chromatic dispersion is calculated using the formula:
τ
m
– pulse broadening due to material dispersion, ps;
τ
B
– broadening of the pulse due to the waveguide dispersion, ps;
∆λ
– the spectral width of the radiation source, nm;
М(λ)
– coefficient of specific material dispersion, ps / nm · km;
В(λ)
– a coefficient of the waveguide dispersion, ps / nm · km.
Consider the effect of material and waveguide dispersion in single-mode fiber. As seen from the graph, an increase in the wavelength dispersion of the material decreases, and at a wavelength of 1.31 m it becomes equal to zero. The wavelength in this case is considered a zero-dispersion wavelength. At the same time more than 1.31 micron dispersion becomes negative. Unbiased waveguide dispersion of fibers is a relatively small value and is in the range of positive numbers. In the development of optical fiber dispersion-shifted, which is based on the waveguide component, trying to compensate for the dispersion of the material to longer wavelengths, ie, a third transparent window (λ = 1,55 m). This shift is carried out reduction of the core diameter, increasing Δ and using the triangular shape of the refractive index profile of the core.
In the propagation of polarized light wave along the optical fiber polarization dispersion occurs. The light wave from the standpoint of the wave theory is a constantly changing magnetic and electric field vector which is perpendicular to the propagation of electromagnetic (light) waves. An example of a light wave may be natural light whose direction of electric vector varies randomly. If the radiation is monochromatic and vectors oscillate with a constant frequency, they can be represented as the sum of two mutually perpendicular components of x and y. The ideal optical fiber is an isotropic medium in which the electromagnetic properties are the same in all directions, for example refractive indices. Media with different refractive indices in two orthogonal axes x and y are called birefringent. Thus in this case, the fiber remains single mode for as two orthogonally polarized modes have the same propagation constant. But this is true only for ideal optical fiber.
In a real optical fiber two orthogonally polarized modes have non-identical propagation constants, so that there is a time delay occurs and the broadening of the optical pulse.
The broadening of the pulse due to polarization mode dispersion (PMD) is calculated as follows:
Therefore, the polarization mode dispersion is manifested only in the single-mode optical fibers with netsirkulyarnoy (elliptical) core and, under certain conditions becomes comparable with chromatic. Therefore, the resulting dispersion single mode optical fiber is determined by the following formula:
Dispersion significantly limits the bandwidth of optical fibers. The maximum bandwidth on the optical line 1 km calculated by the approximate formula:
τ - pulse broadening, ps / km.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.
Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.
Структура оптического волокна
Оптическое волокно (оптоволокно) - это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже - видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция оптического волокна
Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.
Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне
На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.
Основные характеристики оптического волокна
Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия .
1. Геометрические параметры.
Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:
- некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
- неконцентричность сердцевины и оболочки - расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).
Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки
Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.
(NA) - это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.
Рис 4. Числовая апертура
3. Профиль показателя преломления.
Профиль показателя преломления - это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым . Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.
Рис. 5. Профили показателя преломления
4. Затухание (потери).
Затухание - это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.
а) Поглощение . В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение , связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение , возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH - , ионы металлов…).
б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми ), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние ). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана) , которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.
Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.
Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания
Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).
Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.
5.Дисперсионные свойства.
Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI - InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.
Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2> L1.
Уширение импульса, или дисперсия , обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).
Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.
| Название | Краткое описание | Параметр |
| 1. Хроматическая дисперсия | Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью. |
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км). Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией. |
| а) Материальная хроматическая дисперсия | Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения) | |
| б) Волноводная хроматическая дисперсия | Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления) | |
| 2. Межмодовая дисперсия | Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения. |
Ширина полосы пропускания ( bandwidth), МГц*км . Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации. |
| 3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD | Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями. |
Коэффициент PMD, пс/√км . Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км. |
Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.
Разновидности и классификация оптических волокон
Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.
Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.
- Материал . Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
- Количество распространяющихся мод . В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).
Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно
На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:
- (POF).
- (HCS).
Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.
Производство оптических волокон
Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.
Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).
Рис.9. Волоконно-оптические кабели
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. 2.1).
Рис. 2.1. 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 . (2.4)
Дисперсия ограничивает скорость передачи информации по ОВ.
Рис. 2.2. 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 n м 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. 2.3. Определение диаметра модового поля.
На рис. 2.4. показаны рассчитанные по выражениям распределения модового поля для стандартного волокна на длинах волн, которые обычно используются для связи.
Рис. 2.4. 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. 2.5. 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. 2.6. Возникновение материальной дисперсии.
На рис. 2.7 показана зависимость материальной дисперсии от длины волны. Видно, что материальная дисперсия имеет знак и при длине волны нулевой материальной дисперсии λ = λ 0 mat 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 и, следовательно, меняется среднее значение показателя преломления.
Рис. 2.7. Хроматическая дисперсия в стандартном одномодовом
волокне.
Рис. 2.8. Возникновение волноводной дисперсии.
Волноводная дисперсия отрицательна и с увеличением λ она уменьшается. Это позволяет, изменяя размеры и конструкцию ОВ, управлять зависимостью D в, а, следовательно, и зависимостью D хр от λ.
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 λ 0 D .
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 .
