В основі функціонування оптичних волоконних мереж лежить принцип поширення світлових хвиль по оптичних световодам на великі відстані. При цьому електричні сигнали, що несуть інформацію, перетворюються в світлові імпульси, які з мінімальними спотвореннями передаються по волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ). Великого поширення подібні системи отримали завдяки цілому ряду переваг, які є у ВОЛЗ в порівнянні з системами передачі, що використовують мідні кабелі або радіоефір як середовище передачі.
Така смуга дає можливість передавати потоки інформації в кілька терабіт в секунду. Важливими перевагами ВОЛЗ є такі фактори, як мале загасання сигналів, що дозволяє, при використанні сучасних технологій, будувати ділянки оптичних систем в сто і більше кілометрів без ретрансляції, висока перешкодозахищеність, що з малої сприйнятливістю оптичного волокна до електромагнітних завад, і багато інших.
Зовнішнє покриття волокна (полімерна оболонка) виготовляється з пластмас або епоксидних композицій, що поєднують високу механічну міцність і великий коефіцієнт заломлення світла. Цей шар забезпечує механічну захист світловода і його стійкість до впливу зовнішніх джерел оптичного випромінювання.
Основна частина оптичного волокна складається з серцевини і оболонки. Матеріалом серцевині служить надчистого кварцове скло, яке і є основним середовищем передачі оптичних сигналів. Утримання світлового імпульсу відбувається внаслідок того, що коефіцієнт заломлення матеріалу серцевини більше ніж у оболонки. Таким чином, при оптимально підібраному співвідношенні коефіцієнтів заломлення матеріалів відбувається повне відображення світлового променя всередину серцевини.
Для передачі випромінювання вводиться під невеликим кутом в торець оптичного волокна. Максимальний кут проникнення світлового імпульсу в сердечник волокна називається кутовий апертурою оптичного волокна (# 63;). Синус кутовий апертури називається числовою апертурою NA і розраховується за формулою:
Для того щоб передавати сигнали по оптичних хвилеводів, необхідно мати джерело суворо когерентного світла. Для збільшення дальності передачі ширина спектра передавача повинна бути якомога менше. Для цієї мети найбільш підходять лазери, які, завдяки индуцированному випромінювання світла, дозволяють під-тримувати постійну різницю фаз при однаковій довжині хвиль, У зв'язку з тим, що діаметр серцевини волокна порівняємо з довжиною хвилі оптичного випромінювання, в световоде виникає явище інтерференції. Це може бути доведено тим, що світло поширюється в склі серцевини тільки під певними кутами, а саме в напрямках, в яких введені світлові хвилі при їх накладенні посилюються. Кажуть, що виникає конструктивна інтерференція. Дозволені світлові хвилі, які можуть поширюватися в оптичному волокні, називаються модами. Для опису процесів поширення світла в оптичних волокнах існують кілька параметрів, які необхідно враховувати.
Один з головних параметрів це затухання. У загальному випадку загасанням називають ослаблення світлового потоку в оптичному волокні. Загасання світла в оптичному волокні, має різні причини. Воно може бути викликано поглинанням світла і викликане розсіюванням випромінювання. Загасання, пов'язане з вигинами оптичного волокна. Розрізняють два типи вигину волокна: микроизгибах і макроізгіб.
Поглинання може бути визначено як перетворення потужності світлового імпульсу в тепло, і пов'язано з резонансом в матеріалі волокна. Існують внутрішні поглинання, пов'язані з властивостями матеріалу волокна і молекулярним резонансом, і зовнішні поглинання, які визначаються наявністю микропримесей в матеріалі волокна (наприклад ОН-іонів). Сучасні оптичні волокна мають дуже невелику кількість микропримесей, тому величина зовнішнього поглинання мінімальна і може не прийматися в розрахунок.
Розсіювання випромінювання це один з основних факторів загасання світла в оптичному волокні. Наявність цього типу загасання пов'язано, перш за все, з дефектами серцевини оптичного волокна, а також з наявністю сторонніх домішок в оптичному волокні, які значно впливають на можливість проходження світлового потоку по правильній траєкторії, призводять до його відхилення і, як наслідок, перевищення кута заломлення та виходу частини світлового променя через оболонку. Крім того, наявність неоднорідностей волокна призводить до відбиття частини світлового потоку в зворотну сторону. (Рис. 1)
Малюнок 1 Ефект релєєвського розсіювання в оптичному волокні.
Загасання, пов'язані з вигинами оптичного волокна. Микроизгибах називають мікроскопічні зміни геометрії серцевини волокна. Макроізгібом називають великий вигин оптичного волокна, який перевищує мінімально допустимий радіус і змушує світловий потік покинути серцевину оптичного волокна. Мінімальний радіус вигину одномодових волокон становить десять сантиметрів. При такому вигині світловий імпульс поширюється без сильних спотворень. Зменшення ж радіуса вигину призводить до значного підвищення ефекту розсіювання світлового потоку через оболонку волокна.
Коефіцієнт загасання для заданої довжини хвилі оптичного випромінювання визначається як відношення вводиться в волокно оптичної потужності до потужності прийнятого з волокна оптичного сигналу. Зазвичай коефіцієнт загасання вимірюється в децибелах (дБ) і залежить як від параметрів оптичного волокна, так і від довжини хвилі світлового потоку.
Одним з факторів, сильно впливають на якість передачі сигналів в оптичних световодах, є дисперсія. Дисперсією світла називається залежність показника заломлення n речовини від частоти н світла або залежність фазової швидкості світлових хвиль і від їх частоти. Наслідком дисперсії в оптичному волокні є розтягування світлового імпульсу, що відбувається під час проходження його через оптичне волокно. Дисперсія сильно обмежує швидкість роботи оптичних систем, помітно знижуючи граничну смугу пропускання. Визначено два основних види дисперсії: межмодовая і хроматична.
Хроматична дисперсія пов'язана, перш за все, з залежністю швидкості поширення світлового потоку від довжини хвилі джерела випромінювання. На відміну від ідеального джерела світла, будь-який реальний джерело випромінює світло в деякій смузі частот. Складові світлового імпульсу, що мають різні частоти, досягають кінця оптичного волокна з різними затримками часу, спотворюючи вихідний імпульс.
Швидкість поширення світла в оптичному волокні пов'язана з коефіцієнтом заломлення наступною залежністю:
де - швидкість поширення світла в оптичному волокні, C - швидкість світла у вакуумі, n- коефіцієнт заломлення серцевини волокна, який залежить від довжини хвилі. Для проходження по волокну довжиною L світловому імпульсу потрібен час t, яке визначається як:
З формули (3) видно залежність часу проходження світлового імпульсу по оптичному световоду від показника заломлення оптичного волокна. Хроматична дисперсія є мірою зміни показника заломлення матеріалу серцевини світловоду і визначається, як перша похідна коефіцієнта заломлення:
де л-довжина хвилі оптичного сигналу.
Хроматична дисперсія виражається в пс / нм · км і фізично може бути виражена як різниця часу проходження оптичного світловода довжиною один кілометр сигналами двох довжин хвиль, причому ці довжини хвиль повинні лежати в заданій смузі спектра джерела оптичного випромінювання.
Оскільки коефіцієнт заломлення кварцового скла мінімальний при довжині хвилі, що дорівнює 1300 нм, похідна для цієї точки дорівнює нулю і, відповідно, хроматична дисперсія дуже мала. Це одна з причин активного використання другого вікна прозорості в телекомунікаційній апаратурі. Однак, існують способи усунення дисперсії за допомогою легування кварцового скла. Такі світлопроводи називаються оптичними волокнами зі зміщеною дисперсією і можуть мати нульову дисперсію на довжині хвилі з мінімальним загасанням (1550 нм). Це дозволяє використовувати їх в оптичних системах, що вимагають особливо великий смуги пропускання або великих прольотів кабелю з мінімальною кількістю пунктів переприемов, наприклад для підводних кабельних мереж. На малюнку 2 представлені залежності хроматичної дисперсії від довжини хвилі випромінювання.
Малюнок 2 Залежність хроматичної дисперсії від довжини хвилі випромінювання.
Модовая дисперсія пов'язана з різним часом проходження ділянки волокна світлових мод, що рухаються по різних траєкторіях. В межах числової апертури в багатомодове волокно може бути введено кілька сотень дозволених мод. Всі вони будуть поширюватися по різних траєкторіях, маючи різний час проходження від джерела до приймача. Сумарний імпульс, отриманий приймачем сигналу, виявляється сильно розтягнутим в тимчасовій області. Наявність модовой дисперсії є недоліком багатомодових систем передачі. Ефект межмодовой дисперсії частково нівелюється змішанням мод. При проходженні через оптичне волокно моди нижчих порядків, які мають малі кути траєкторії по відношенню до осі оптичного світловода перетворюються в моди вищого порядку і навпаки. Таким чином, швидкість проходження ділянки волокна модами кілька усредняется. Але необхідно враховувати, що процес такого усереднення відбувається, перш за все, за рахунок неоднорідностей волокна, а вони, в свою чергу, помітно збільшують загальне загасання сигналу. В одномодових оптичних волокнах межмодовая дисперсія повністю відсутня.
Поляризаційна модовая і хроматична дисперсії істотно обмежують можливості передачі оптичних сигналів по волокну і після загасання є найбільшою перешкодою для підвищення дальності роботи цифрових систем. Хроматична дисперсія може бути компенсована, як за допомогою зменшення смуги випромінюваного спектра лазерного джерела, так і зміщенням хроматичної дисперсії кабелю в область більш високих довжин хвиль. Компенсація ПМД неможлива і може бути знижена тільки зі збільшенням якості оптичних волокон і кабелів. Величина 0,5 пс / км є фактично прийнятим міжнародним стандартом максимально допустимого ПМД. У рекомендаціях, що стосуються ліній телекомунікації передачі, простежується тенденція встановлювати вимогу, що обмежує величину ПМД не більше 0,1 пс / км.
Найбільш важливими параметрами в лінії є загасання і дисперсія, так як вони впливають на протяжність регенераційної ділянки.