ефекту присутні одночасно, тому виникає необхідність врахування їх спільного впливу для визначення загальної дисперсії волокна.
При оцінці смуги пропускання оптичної системи зв'язку або максимальної швидкості передачі даних необхідно враховувати форму прийнятих імпульсів. Більшість оптичних джерел випромінювання мають приблизно гауссово розподіл потужності по довжинах хвиль. В такому випадку слід очікувати, що форма прийнятого імпульсу буде також гаусом.
Нехай розширення імпульсу відбувається під впливом як межмодовой, так і хроматичної дисперсії. Нехай обидва механізму незалежні один від одного. Якщо τ 0 - тривалість пере-
дається імпульсу на рівні половинної потужності, τ mod - розширення імпульсу, що відбувається в результаті впливу межмодовой дисперсії, τ chr - розширення імпульсу, що відбувається в
Внаслідок впливу хроматичної дисперсії, то в результаті їх спільного впливу на виході утворюється імпульс тривалістю τ:
τ 2 = τ 0 2 + τ mod 2 + τ chr 2.
де τ chr = τ mat + τ w
Мал. 11.3. Рухаючись гаусів імпульс
11.4. Поляризаційна модів дисперсія
Головна фізична причина появи поляризационной модовой дисперсії (ПМД) є некруглість серцевини волокна. Електричне поле світлової хвилі можна завжди представити у вигляді суперпозиції двох ортогональних лінійно поляризованих векторів. В ідеальному круглому волокні обидві компоненти (моди) поширюються з однаковою швидкістю, і в результаті проходження такого волокна тривалість результуючого імпульсу залишається такою ж, як і на вході в волокно. Реальні волокна мають неідеальну геометрію, тому дві різні складові, які мають перпендикулярні поляризації, поширюються з різними швидкостями. Оскільки в традиційних лініях зв'язку фотоприймач на приймаючій стороні не оснащуються поляризатором через втрату потужності і подорожчання системи зв'язку, і приймає одночасно сигнал від обох поляризованих складових, це призводить до розширення імпульсу на виході, яке називається поляризационной модовой дисперсією τ pmd.
Через невеликої величини ПМД може проявлятися виключно в одномодових волокнах, причому коли використовується передача широкосмугового сигналу (смуга пропускання 2,4 Гбіт / с і вище) з дуже вузькою спектральної смугою випромінювання
0,1 нм і менше. В цьому випадку хроматична дисперсія стає порівнянної з поляризационной модовой дисперсією. Для обліку вкладу поляризационной модовой дисперсії в результуючу дисперсію слід додати доданок τ pmd.
τ 2 = τ 0 2 + τ mod 2 + τ chr 2 + τ pmd 2.
Головною причиною виникнення поляризационной модовой дисперсії є некруглість (овальність) профілю серцевини одномодового волокна, що виникає в процесі виготовлення або експлуатації волокна. Стандартні волокна прагнуть виготовляти з якомога меншою неціркулярностью, проте добитися ідеального профілю волокна неможливість
але. Є кілька факторів росту анізотропії профілю волокна [12]:
• недосконалість заводського процесу витяжки волокон,
• скручування волокон при виготовленні кабелю,
• вигини кабелю і як наслідок механічні деформації волокон,
• зміни температури навколишнього середовища, вітрові навантаження, деформації внаслідок обмерзання для підвісних волоконно-оптичних кабелів.
Через наявність динамічних чинників навіть в межах окремого сегмента волокна неможливо визначити напрям поляризації сигналу. З іншого боку, в місцях з'єднання волокон або вигинах відбувається взаємодія або змішання ортогональних мод. Отже, результуюча поляризаційна модів дисперсія носить випадковий характер і пропорційна кореню квадратному з довжини оптичної лінії зв'язку L:
де D pmd - коефіцієнт поляризаційної модової дисперсії.
Істотною відмінністю поляризационной модовой дисперсії від хроматичної є той факт, що вплив хроматичної дисперсії в лінії можна компенсувати, в той час як розвинених методів компенсації впливу поляризационной модовой дисперсії в даний час не розроблено.
11.5. компенсація дисперсії
Класичний підхід компенсації хроматичної дисперсії полягає в наступному: в систему передачі додають компоненти з постійною негативною хроматичної дисперсією, щоб звести до нуля накопичену хроматичну дисперсію лінії передачі. При ретельному проектуванні ця технологія дозволяє значно збільшити довжину ліній переда
чи зі швидкостями до 10 Гбіт / с. Успіх методів статичної компенсації залежить від того, наскільки добре постійна дисперсія компенсуючого кабелю або інших компонентів узгоджується з дисперсією лінії передачі.
Логічним розвитком методів компенсації стало використання таких компонентів, дисперсія яких може перебудовуватися як за величиною, так і по довжині хвилі, що допускає можливість динамічної компенсації. Для динамічної компенсації використовується зворотний зв'язок, в якій виміряне значення дисперсії використовується при виробленні сигналу для пристрою компенсації дисперсії.
На основі висновків з попередньої лекції, що стосуються природи матеріальної дисперсії, отримана формула для розрахунку матеріальної дисперсії в оптичних волокнах. Показано, що матеріальна дисперсія в оптичних волокнах визначається величиною другий похідною від показника заломлення
∂ 2 n. Розглянуто хроматична дисперсія і поняття довжини
хвилі нульової дисперсії, поляризаційна модів дисперсія. Розглянуто облік спільного впливу різних видів дисперсії.
Питання і завдання
11.1. За якою формулою розраховується матеріальна дисперсія при поширенні сигналу в об'ємної середовищі?
11.2. Що таке ширина спектра джерела випромінювання?
11.3. В яких одиницях вимірюється матеріальна дисперсія? (Див. Лекцію № 10)
11.4. Що таке хроматична дисперсія?
11.5. Що таке довжина хвилі нульової дисперсії?
11.6 Що таке ПМД (поляризаційна модів дисперсія)?
11.7. В яких одиницях вимірюється поляризаційна модів дисперсія?
11.8. Як врахувати сумісний вплив різних видів дисперсії?
11.9. Чи можна компенсувати поляризаційної модової дисперсії?
11.10. Оцінити відстань L o. при якому хроматична і поляризаційна модів дисперсія порівнюються за величиною, якщо коефіцієнт хроматичної дисперсії D = 2 пс / (нм км), коефіцієнт поляризаційної модовой
дисперсії D pmd = 0,5 пс / км. а ширина спектрального випромінювання λ = 0,05 нм.
Лекція 12 Загасання в волокні.
12.1. Втрати в оптичних волокнах
На затухання світла в волокні впливають такі фактори, як втрати на поглинання, втрати на розсіяння, кабельні втрати. Втрати на поглинання і на розсіяння разом називають власними втратами, в той час як кабельні втрати чинності їх природи називають також додатковими втратами.
Власні втрати α int
Мал. 12.2. Поглинання в одномодовом кварцовому волокні (за даними [4]).
Розглянемо втрати на поглинання. Як було показано раніше в п.10.3, відповідальні за матеріальну дисперсію електронні та атомні резонанси викликають також поглинання в околицях резонансних частот. Для цікавлять нас матеріалів це резонанси в ультрафіолетовій області спектра, пов'язані з коливаннями оптичних електронів, і резонанси в інфрачервоній області, обумовлені коливаннями атомів кристалічної решітки. Хоча ці резонанси і лежать досить далеко від тих частот, які використовуються в оптичних лініях зв'язку, проте вони викликають настільки сильне поглинання, що
хвости їх смуг поглинання захоплюють цю область при дуже низькому рівні втрат (див. рис. 12.2).
Край ультрафіолетового й інфрачервоного смуг поглинання грає важливу роль в матеріалах, використовуваних для виготовлення оптичних волокон. Однак ці матеріали можуть також містити домішки, здатні викликати поглинання на цікавлять нас довжинах хвиль. Навіть незначні концентрації домішок призводять до появи піків на кривій втрат (ріс.12.2). Слід зазначити характерний максимум поглинання в районі 1480 нм, який відповідає парам води. Цей пік присутній завжди. Область спектра в районі цього піку зважаючи на великі втрат до теперішнього часу практично не використовувалася. Однак, в останні роки розроблена принципово нова технологія виготовлення оптичних волокон, що виключає наявність парів води в оптичному волокні, що дозволило говорити про відкриття для передачі нового вікна прозорості.
Втрати на розсіювання. За своєю природою кварцовою волокно є неврегульованою структурою, в якій є мікроскопічні відхилення від середньої щільності матеріалу, а також локальні мікроскопічні зміни в складі. Кожне із зазначених змін призводить до флуктуацій показника заломлення в межах областей, розмір яких малий у порівнянні з довжиною хвилі оптичного діапазону. Розсіювання світла на таких мікроскопічних неоднородностях називається
Втрати, зумовлені релєєвськоє розсіювання, можуть бути мінімізовані шляхом більш ретельного контролю процесу охолодження розплаву, з якого потім буде витягуватися волокно. Характерна особливість даного явища полягає в тому, що розсіює потужність, а, отже, і втрати обернено пропорційні довжині хвилі в четвертого ступеня. З рис. 12.2 видно, що саме релєєвськой розсіювання, а не край смуги ультрафіолетового поглинання є основною причиною втрат в кварцових оптичних волокнах але довжинах хвиль коротше
Кабельні втрати α rad обумовлені скруткой, деформаціями і вигинами волокон, що виникають при накладенні по-
критий і захисних оболонок, виробництва кабелю і його прокладки. При сучасному рівні виробництва при дотриманні технічних умов внесок з боку кабельних втрат повинен бути мінімальним.
Довжина хвилі відсічення визначається як найменша довжина хвилі, при якій в волокні реалізується одномодовий режим поширення випромінювання. Довжина хвилі відсічення залежить від натягу волокна, радіусу вигину волокна, стиснення і т.д. Тому довжина хвилі відсічення оптичного кабелю менше довжини хвилі відсічення вільного волокна.
12.2. Оптимальна довжина хвилі для кварцового оптичного волокна. Потенційні ресурси оптичного волокна
Основними характеристиками системи зв'язку є смуга пропускання і відстань між ретрансляторами, а визначальними параметрами волокна - дисперсія і втрати. Сучасні оптичні волокна оптимізовані для передачі на довжинах хвиль 850 нм, 1310 нм, 1550 нм. Перші лінії зв'язку на багатомодових волокнах працювали в вікні прозорості поблизу довжини хвилі 850 нм (це перше вікно прозорості). Ця довжина хвилі відповідає найпоширенішим джерел випромінювання з арсеніду галію. Лінії магістральної й внутрізонового зв'язку працюють у другому вікні прозорості поблизу довжини хвилі 1310 нм (1285 ÷ 1330 нм). Довжина хвилі 1310 нм відповідає довжині хвилі нульової дисперсії кварцового волокна, причому в околицях 1310 нм має місце локальний мінімум втрат (рис. 12.2). Довжина хвилі 1550 нм відповідає мінімальним втратам в волокні (це третє вікно прозорості). Найбільш перспективними для високоємкий мереж зв'язку є третє (1530 ÷ 1565 нм) і четверте (1565 ÷ +1625 нм) вікна прозорості, в яких всі сучасні типи оптичних волокон мають найменше загасання (0,18 ÷ 0,20 дБ / км).
Не приймаючи до уваги дисперсію, розглянемо потенційні можливості волокна [3]. Довжина хвилі і частота світло-
вого випромінювання пов'язані між собою формулою
ν ≈ 25ТГц. найбільш подхо-
дящім з точки зору магістральних протяжних мереж є вікно 1550 нм, оскільки в цьому вікні досягається мінімальне загасання сигналу. Незважаючи на такі великі ресурси волокна, реалізувати передачу на швидкості 25 Тбіт / с в даний час неможливо, оскільки відповідна частота модуляції поки недосяжна. Проте є інша ефективне рішення, ідея якого полягає в поділі всієї смуги на канали меншої ємності. Кожен з таких каналів можна використовувати під окремий додаток. Ця технологія з-
Відомо як хвильове мультиплексування (WDM). техно-
гия WDM дозволяє збільшити пропускну здатність волокна не за рахунок збільшення частоти модуляції, а за рахунок додавання нових довжин хвиль - нових несучих. Єдина умова, яку необхідно виконати - це виключити перекриття між спектральними каналами.
Градієнтне багатомодове волокно. широко использу-
ються два стандарти многомодового градиентного волокна - 62,5 / 125 і 50/125. Смуга пропускання цих волокон на довжині хвилі 1300 нм в два рази перевищує смугу пропускання на довжині хвилі 850 нм. Це пояснюється наступним чином. Смуга пропускання визначається дисперсією, яка складається з межмодовой і хроматичної дисперсії. Якщо межмодовая дисперсія слабо залежить від довжини хвилі (див. (10.4)), то хроматична дисперсія пропорційна ширині спектра випромінювання (11.8). Хроматична дисперсія в околицях 1300 нм дуже мала, проте зростає для довжини 850 нм. З урахуванням того, що зазвичай в якості передавачів використовуються світловипромінюючі діоди, що мають ширину спектра джерела
λ ≈ 50 нм. хроматична дисперсія на довжині хвилі 850 нм
починає відігравати суттєву роль поряд з межмодовой дисперсією. Значно зменшити хроматичну дисперсію можна, застосовуючи в якості джерела випромінювання лазерні діоди, які мають значно меншу ширину спектра випромінювання. Повною мірою скористатися цією перевагою лазерних джерел можна тільки при використанні одномодового волокна в вікнах прозорості 1310 нм і 1550 нм, коли повністю відсутня межмодовая дисперсія, і залишається тільки хроматична дисперсія.
Одномодові волокна. З точки зору дисперсії, існуючі одномодові волокна розбиваються на три типи: стандартні волокна SF зі ступінчастим профілем (рис. 12.3, а), волокна зі зміщеною дисперсією DSF (рис. 12.3, б) і волокна з ненульовий зміщеною дисперсією NZDSF.
Відносний показник заломлення (%)